含磁偏置超导限流器的66_10 kV变电站的故障限流分析.pdf
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1、电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报Proceedings of the CSU-EPSA第 35 卷 第 6 期2023 年 6 月Vol.35 No.6Jun.2023含磁偏置超导限流器的 66/10 kV 变电站的故障限流分析何淼1,郑楠1,诸嘉慧2,孟庆丰1,汪清山2(1.国网辽宁省电力有限公司辽阳供电公司,辽阳 110006;2.中国电力科学研究院有限公司,北京 100192)摘要:配网系统短路电流越来越大,现有断路器即将超过遮断容量,给电网安全带来较大影响。针对此问题,利用双分裂电抗器反并联低阻抗特性和超导单元故障失超特性,提出一种具有二级逐级限流特征的磁偏置超导限流器。根据
2、辽阳市某 66/10 kV 变电站线路参数,基于 Matlab/Simulink 建立含磁偏置超导故障限流器的系统仿真模型,进行限流仿真计算,获得磁偏置超导故障限流器限流效果的变化规律,以及在故障电流下的失超电阻和温度的变化规律,验证了磁偏置超导限流器原理的正确性。结果表明,磁偏置超导限流器在三相短路故障时电网电流限流率最大可达到 19.68%,最大温度为 123.7 K,失超恢复时间为 32 ms,表明其具有限流响应迅速和失超恢复快的优势。关键词:磁偏置超导限流器;三相短路;变电站;限流率中图分类号:TM725;TM471文献标志码:A文章编号:1003-8930(2023)06-0099-
3、07DOI:10.19635/ki.csu-epsa.001151Analysis of Fault Current Limiting in 66/10 kV Substation with Magneto-biasedSuperconducting Fault Current LimiterHE Miao1,ZHENG Nan1,ZHU Jiahui2,MENG Qingfeng1,WANG Qingshan2(1.Liaoyang Power Supply Company,State Grid Liaoning Electric Power Co.,Ltd,Liaoyang 110006,
4、China;2.China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China)Abstract:The short-circuit fault current in distribution system is continuously growing and it will exceed the breakingcapacity of the existing circuit breakers,which poses a serious problem to the security of power grid.To solve t
5、his problem,a magneto-biased superconducting fault current limiter(MBSFCL)with two-stage cascaded current limiting characteristics is proposed by using the antiparallel low-resistance characteristics of a double-split reactor and the quenchcharacteristics of a superconducting unit under fault.Accord
6、ing to the line parameters of one 66/10 kV substation in Liao-yang City,the simulation model of a system with MBSFCL is established based on the MATLAB/Simulink platform.Thesimulations of fault current limiting are performed,and the fault current limiting effect of MBSFCL and the quench resistance a
7、nd temperature changes under the impact of fault current are analyzed,respectively,which verifies the principle for MBSFCL.Results show that the maximum current limiting rate of grid current can reach 19.68%under three-phase short-circuit fault,the highest temperature of the superconducting unit is
8、123.7 K,and the quench recovery timeis 32 ms,indicating advantages of fast response of fault current limiting and fast quench recovery.Keywords:magneto-biased superconducting fault current limiter(MBSFCL);three-phase short-circuit;substation;fault current limiting rate随着我国经济不断发展,城市电网线路的输送容量越来越大,导致短路
9、故障电流也随之增大,对电网的安全性和稳定性造成严重威胁。超导故障限流器 SFCL(superconducting fault current limiter)具备限流响应快、自触发、损耗小和快速恢复的优点,是解决短路电流问题的有效方案。针对城市交流电网短路电流超过断路器容量的问题,国内外进行了一系列限流研究。2004年,德国耐克森公司研制了1台三相10 kV/10 MVA的双股电阻型超导限流器1,并在德国Netphen的莱茵集团电网母线上进行了并网试验。2010年,韩国电力公司开展了22.9 kV/0.63 kA的混合式超导限流器试验运行2。2006年,中科院电工所开发了一台10.5 kV的桥
10、式电阻型超导限流器3,并在湖南省高收稿日期:2022-08-23;修回日期:2022-10-28网络出版时间:2022-11-24 10:16:03基金项目:国网辽宁电力有限公司科技项目(2021YF-30)何淼等:含磁偏置超导限流器的 66/10 kV 变电站的故障限流分析电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报100第 6 期溪变电站进行了挂网试验。2007年,云电英纳超导公司研制的35 kV/1.5 kA限流器4在普吉变电站挂网运行,之后到2009年对该限流器进行了三相短路试验并分析了限流效果5。2019年,北京交通大学和中天科技公司共同研制了220 kV超导限流器样机6。2020年,
11、天津大学对超导限流器在柔性直流系统的优化配置开展了计算研究7。但是,目前用于电网的超导限流器存在超导材料用量较多、成本偏高的问题,无法满足一些低电压等级线路限流的成本要求。因此,现有的超导限流器在限流可靠性和经济性上还需要进一步开展研究。为此,本文提出一种基于双分裂电抗器、快速开关和超导无感限流组件构成的新型磁偏置超导故障限流器MBSFCL(magneto-biased superconducting fault current limiter)设计方案,实现了电阻和电抗同时限流,节省了超导材料的用量,显著降低了成本。首先,建立了超导无感限流组件的细分化失超特征模型,应用Matlab/Simu
12、link实现了理论计算模型的模块化封装;然后,基于辽阳市某66/10 kV变电站实际参数,搭建了含MBSFCL的输电线路的电网仿真模型,分析了MBSFCL在三相接地短路故障下的限流特性,验证了其限流效果,为磁偏置超导故障限流器在城市变电站的并网示范应用提供了重要的理论依据。166/10 kV 变电站线路概况针对辽阳市某66/10 kV变电站2号变压器输出端10 kV新水泥线出现的短路故障,首先开展故障电流分析,线路结构如图1所示。该线路属于混合线路,共7个节点,线路总长度为5.080 km,其中电缆长度为0.482 km,架空线路长度为 4.598 km,最大输送容量为 5.455 MVA。M
13、BSFCL安装在变压器出口20 m处。该线路参数如表1所示,负荷参数如表2所示。对故障最严重的变压器出口处三相短路进行仿真,仿真持续时间为0.3 s,短路时刻为t=0.1 s,停止时刻为t=0.2 s。短路电流波形如图2所示,可以看出,最大短路电流超过了2.5 kA,接近线路上的断路器开断容量,因此有必要安装限流装置,保障线路的可靠运行。2磁偏置超导故障限流器2.1拓扑和参数介绍MBSFCL的组成部件和结构如图3中虚线框内所示,包括具有高耦合系数且同名端反向联接的双分裂电抗器(绕组L1和L2)、钇钡铜氧YBCO(yttrium barium copper oxide)超导带材绕制的超导无感限流
14、组件和快速开关K1,其中双分裂电抗器的两个绕组L1和L2电感值大小相等且为反并联的连接方式。在该结构中,绕组L2与YBCO限流组件和K1串联形成一条支路,绕组L1单独构成另一条支路,两条支路并联连接。在交流电网中,MBSFCL串联在线路中,与线路断路器K2、线路阻抗Zline和负载阻抗Zload一起构成1个等效回路,如图3所示。双分裂电抗器参数如表3所示,YBCO限流组件参数如表4所示。表 1线路参数Tab.1Line parameters区段0-11-1212-1919-6252-16导线型号YJV22-3*300LGJ-120YJV22-3*240LGJ-120LGJ-35额定电压/kV1
15、010101010安全电流/A380380380380380线路电阻/(km-1)0.073 50.270 00.084 00.270 00.892 5线路电感/(mHkm-1)0.281 71.082 80.290 41.082 81.187 9长度/km0.100.700.462.150.85节点1662有功负荷/MW1.0510.290无功负荷/Mvar0.2330.178表 2负荷参数Tab.2Load parameters图 1新水泥线线路示意Fig.1Schematic of Xinshuini line故障点服装厂分支16限流器位置张台子变电站66/10 kV0112195262
16、图 2变压器出口三相短路的电流波形Fig.2Current waveforms at transformer outlet underthree-phase short-circuit fault3210-1-2-3电流/kA时间/sB相00.30.10.2A相C相何淼等:含磁偏置超导限流器的66/10 kV变电站的故障限流分析101第 35 卷2.2失超电阻细分化模型YBCO的失超电阻受电-磁-热多场耦合的共同影响,是一个非线性函数,其变化过程非常复杂。失超电阻模型通常采用单个失超特征值n来计算整个失超过程中的电阻变化,这种粗略的计算模型无法满足实际应用需要。为此,本文采用一种通用型超导失超
17、特征值模型,对失超电阻进行分段化处理8。根据YBCO中的电流密度J与临界电流密度Jc的比例关系将失超特征值n等效为多个区间值,提出一种超导电阻率通用表达式。针对失超电阻增长速率的非线性变化特性,在每个时段D内定义不同的失超特征值nD,用来表示不同的电阻增长速率,同时每个时段D开始失超的临界电流密度JD也都不同,符合失超电阻增长速率先慢后快的特点,更加能贴合实际中测得的电阻变化趋势。所提的超导电阻率的通用表达式为D(J)=0|J|JDE0|J|JJc-DnD|J|JD(1)式中:D为不同时间段的失超电阻率;J为电流密度;Jc为YBCO的临界电流密度;E0为失超判据,可从YBCO临界电流曲线得到。
18、超导限流器电流Jc可表示为Jc=Jc Top()Tc-T()Tc-TopTopTTc0TTc(2)式中:Jc Top为Top温度下的临界电流密度;Top为低温系统的冷却介质温度,取77 K;Tc为YBCO的临界温度,取92 K;为温度变化系数。2.3温度模型在短路电流的冲击下,YBCO呈现快速失超状态,短路电流产生大量电阻热损耗。此时,时间t内单位长度YBCO的温度由T0变化到T1可由热平衡方程计算得到,从而获得温度分布变化情况。该热平衡方程为T1-T0=I2RYBCOt-hAs()T0-Toptmc(3)式中:I为电流有效值;h为表面传热系数,取100;As为换热面积,取0.5 m2;RYB
19、CO为YBCO的整体电阻;t 为时间间隔;m 为单位长度 YBCO 的质量,m=dA,其中d、A分别为YBCO的密度和横截面积,取d=3 500 kg/m3,A=3.8410-7m2;c为YBCO的比热系数,取241。保护装置动作后,短路电流被切除,YBCO恢复到超导态,短路电流产生的电阻热损耗消失,YBCO的温度逐渐降低,直至低温系统的冷却介质温度,此时的温度T2满足如下关系:T2-T1=-hAs()T1-Toptmc(4)2.4MBSFCL 仿真模型构建MBSFCL仿真模型如图4所示,电流从输入端口流入,输出端口流出,双分裂电抗器和断路器均为配置好的仿真元件,超导无感组件通过S-Funct
20、ion模块控制可控电阻Rsc实现,YBCO限流组件的电阻在S-Function模块中由Matlab编程计算得到,同时还会将YBCO的失超电阻和温度波形输出到示波器。封装后的 MBSFCL 仿真模型如图 5 所示。其中,A、B、C端为三相输入,a、b、c端为三相输出,Rabc表 3双分裂电抗器参数Tab.3Parameters of double-split reactor参数自感/mH互感/mH耦合系数取值5.304.450.84表 4超导无感限流组件参数Tab.4Parameters of superconducting non-inductivefault current limiting
21、 unit参数带材宽度/mm超导层厚度/m铜稳定层厚度/m超导层宽度/mm取值4.81750.44参数带材长度/m最小临界电流/A串联单元数/个取值23.29010图 3MBSFCL 系统拓扑Fig.3Topology of MBSFCL systemMBSFCL交流电网YBCO超导无感组件ZlineZlineZloadK1L2K2L1图 4MBSFCL 仿真模型结构Fig.4Structure of MBSFCL simulation model电流输出2YBCOS-FunctionR电流表电流输入11+-iK1Rsc2-T电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报102第 6 期为每相YB
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