超导故障限流器（精选三篇）
超导故障限流器 篇1
随着智能化电网建设的展开,各种关键业务和重点支撑技术领域的研究逐步进行,在灵活输电方面,适用于智能电网的短路电流限制技术研究已全面展开[1]。采用超导故障限流器(SFCL)可有效降低短路电流对电气设备的冲击,提高电网运行可靠性,避免传统限流措施局限性[2,3],能够集检测、触发和限流于一身,是电力系统的理想限流装置[4,5]。电力系统正常运行时,超导体不表现任何阻抗,还具有完全的抗磁性,装置对电网的影响几乎为零;当发生短路故障时,超导体会迅速失超而表现一个很大的阻抗,从而将短路电流限制在一个很低的水平[6]。
目前,超导故障限流器在智能电网应用中的研究大多数集中在限制短路电流效果上,对暂态稳定影响方面的研究还比较少。有些作者从故障限流器对电力系统功角曲线的影响方面做了一些基本分析;或利用等面积定则推导出输电线路一端具有限流器的极限切除角数学表达式,从极限切除角方面解释了电感型限流器对暂态稳定性影响机理。本文不仅分析了不同位置发生故障时,SFCL对电力系统暂态稳定性的影响情况,还推导出了系统故障时超导故障限流器投入阻抗后的发电机输出的功率表达式,从数学上证明了SFCL对暂态稳定性的影响情况,并且从物理上进行了分析,最后通过暂态稳定的时域仿真结果进行了验证。
1 超导故障限流器工作原理及数学模型
超导故障限流器结构如图1所示,它是由低交流损耗的极细丝超导电缆无感绕制的触发线圈组成。为了降低触发线圈转变时产生的过电压,通常要并联一个限制电抗或限制电阻。
1.1 工作原理
SFCL是利用交流超导体从超导态向常态(高阻)快速转变原理来限制电力系统的故障电流。正常运行期间,触发线圈处于超导态,由于其交流损耗和漏感决定的阻抗很小,线路电流全部通过触发线圈。在故障情况下,短路电流很快超过触发线圈的临界电流,触发线圈瞬间变为常态,出现高阻,电流被转换到限制电抗或限制电阻中去,从而限制故障电流。
1.2 数学模型
在理想情况下,失超后的几个微秒里,通常认为超导体是均匀失超的,因此常态阻抗R可近似是时间的线性函数:
式中,νP为超导体表面传播速度;ρ为正常态时超导体总电阻率;S为超导体横截面积;TSC为超导体失超过渡时间;RSC为超导体失超后稳定常态阻抗。
超导体在正常时表面传播速度是很低的,当故障电流超过超导体的临界电流时,超导体表面传播速度在绝热状态时的表达式为:
式中,Jc为超导体总的临界电流密度(J=Jc);cp为单位容积比热;ρk为热传导率;Tc为临界温度;T0为基准温度。
由于超导体失超的过渡时间很短(几个微秒),SFCL投入阻抗的过程可以看作是一个阶跃过程,在本文的暂态稳定研究中以投入限制电抗为例,因此对于整个装置而言,相当于投入一个大的电抗。
2 单机对无穷大系统模型
以一个简单的单机对无穷大系统为例,分析SFCL安装在输电线路时对电力系统的暂态稳定影响情况。正常运行时发电机经升压变压器和双回线路向无穷大系统送电,并在其中一回线上加装SFCL。正常运行时,SFCL不投入电抗;故障时,SFCL立刻投入电抗,在一定时间后保护动作,切除故障线路。系统结构如图2所示。
其中发电机正序电抗为xG1,负序电抗为xG2,变压器电抗为xT1,输电线路电抗为xL,线路长度为L,加装SFCL的输电线路在距离A母线kL处发生不对称短路故障(其中0
本文采用的系统参数为:发电机:PGN=240 MW,UN=10.5 k V,f=50 Hz,cosψ=0.80,xG1=0.32,xG2=0.23,Tj=6 s;变压器(T1):SN=300 MVA,变比为10.5 kV/242 kV,US(%)=14;线路每千米阻抗为xL1=xL2=xL=0.42Ω,长度L=230 km;负荷:P|0|=220 MW,U=220 k V,cosφ|0|=0.98。
取SB=220 MVA,UB(220)=220 k V,则各元件标幺值参数为:E′=1.29,U=1,xG1=0.284,xG2=0.204,xT1=0.125,xL=0.439,δ0=29.19°,Tj=8.18 s。SFCL投入的电抗值按标幺值进行计算。
2.1 正常运行时
SFCL不投入电抗,则发电机的电动势与无穷大系统间的总转移电抗及发电机发出的电磁功率表达式分别为:
2.2 故障切除后
二次保护切除故障线路后,系统总电抗以及发电机发出的电磁功率表达式分别为:
3 SFCL对电力系统暂态稳定性的影响
当其中一回线路发生三相短路故障时,故障线路上的SFCL由于受到短路电流而失超,表现为大的电抗x,其等值电路如图3所示。
其中:x1=x'd+xT1,xf1=x+kxL,xf2=x+(1-k)xL。
从而,发电机与无穷大系统间的总电抗及发电机发出的电磁功率表达式分别为:
其中:A1=x1+xL,A0=xL(kxL+kx1+x1)。
本文采用等面积定则法分析SFCL对电力系统的暂态稳定影响情况,SFCL投入电抗后,通过判断功角特性曲线幅值P2m是增大还是减小就可判断是有利于暂态稳定,还是不利于暂态稳定。P2m增大可减小加速面积从而有利于暂态稳定;反之,P2m减小将增大加速面积而不利于暂态稳定。
3.1 故障位置一定,SFCL投入的电抗值变化
为便于分析在输电线路某一位置发生故障时,投入SFCL后对暂态稳定的影响情况,把k看作常数,x2Σ看作是以x为自变量的函数,即x2Σ=f(x),x为零时相当于没有投入SFCL的情况。通过观察自变量x增大时,x2Σ是增大还是减小,间接推断功角特性曲线幅值P2m是增大还是减小,就可以判断出投入SFCL后对暂态稳定影响是有利还是不利。
判断x2Σ的变化情况,只要求出x2Σ对x的导数是大于零还是小于零即可。经化简整理,得:
由以上公式,可以看出x2Σ是关于x的单调递减函数,所以在输电线路的任何位置发生故障,只要SFCL投入电抗,都能使总电抗x2Σ减小。由于P2m与x2Σ成反比,从而在输电线路的任何位置发生故障,只要SFCL投入电抗,都能使P2m增大,由等面积定则可知,故障后线路两端由于电抗的投入而导致加速面积减小,这将对暂态稳定产生有利影响,并且SFCL投入的电抗值越大,对暂态稳定越有利。
图4示出了k分别为0、0.25、0.75和1时,总电抗与投入电抗的关系曲线x2Σ=f(x)。从图4可以看出SFCL投入电抗后总电抗的变化的情况,还可以看出故障位置向后移动,总电抗会变小,从而更有利于暂态稳定。
图5为不同运行状态下的功角特性曲线,由等面积定则可以分析SFCL投入电抗后对电力系统暂态稳定的影响情况。发电机的功角特性曲线,包括:正常运行(P1)、故障切除后(P3)、故障时无SFCL(P'2)和故障时投入SFCL(P2)。
正常运行时,发电机向无穷大系统输送的功率为P0,原动机的输入功率为PT=P0,发电机的工作点为a点,对应功角为δ0;发生短路瞬间功角特性曲线立即降为P'2,工作点移动到b点,此时发电机转子加速,考虑超导体失超可能的延时,当工作点沿P'2移动到c点时,功角特性曲线立即变为P2,工作点变为d点;当工作点沿P2移动到e点时保护动作,故障被切除后,功角特性曲线立即变为P3,工作点也相应变为f,这时发电机的转子受到制动而开始减速。从图5上可以看出,SFCL对电力系统暂态稳定性的影响实质上就是减小了系统的加速面积S3,使转子功角摇摆的幅值减小,极限切除角增大。因此,SFCL投入电抗会对暂态稳定性产生积极作用。
3.2 SFCL投入的电抗值一定,故障位置变化
由上文可知,不管在输电线路的任何位置发生故障,只要投入SFCL,都能对暂态稳定性产生有利影响。但当SFCL投入的电抗值一定时,不同位置发生故障,对电力系统暂态稳定产生有利影响的程度是不同的。只要找出极值点,即影响程度的最大点和最小点,当整定SFCL投入的电抗值时,按影响程度最小点的位置整定计算即可。
分析不同位置发生故障时,把x看作常数,x2Σ看作是以k为自变量的函数,即x2Σ=f(k),由于:
可以看出,x2Σ是一个关于k的单调递减函数,对于一个理想的单机对无穷大系统,当SFCL投入的电抗值一定时,发生故障的位置距离母线越远,总电抗就越小,从而对暂态稳定性产生有利影响的程度就越大。因此最佳位置出现在输电线路末端,影响最小点在线路首端,整定时按首端位置发生故障时进行整定。
图6为SFCL投入电抗x分别为0、0.3与0.5时,总电抗与故障位置关系曲线x2Σ=f(k)。从图6可以看出,随着故障位置的向后移动,总电抗逐渐减小,投入电抗值大时,总电抗会更小。
图6总电抗x2Σ与故障位置k的关系曲线
3.3 仿真分析
还可以从仿真图形上分析SFCL对暂态稳定性的影响情况,只要将发生短路故障时有SFCL和无SFCL的系统的功角摇摆曲线进行比较即可。假设发生故障的位置相同,且在相同时间内将故障切除,比较第一摇摆周期内的摇摆幅度,如果幅值减小,则说明振荡的时间短,有利于暂态稳定。也可以分析发生故障位置不同时的影响情况。
通过用改进欧拉法对系统的非线性微分方程式进行求解,得到如图7所示的δ-t功角摇摆曲线,其中超导体失超时间设为0.01 s,故障切除时间设为0.2 s,阻尼系数设为2。从图中可清楚看出,加入SFCL明显地降低第一摇摆周期内的摇摆幅度,有利于暂态稳定。还可以看出故障位置距离发电机较远时,第一摇摆周期内的摇摆幅度会相应减小。从而验证了3.1、3.2中理论分析的正确性,对于一个理想的单机对无穷大系统,投入的电抗值越大,故障位置越向后,越有利于电力系统的暂态稳定。
4 结语
本文通过对输电线路装有SFCL的电力系统暂态稳定性进行物理分析和时域仿真研究,揭示了SFCL对系统暂态稳定性的影响规律。正常运行时,SFCL对系统无影响;故障时,超导故障限流器在输电线路中投入阻抗,会对电力系统的暂态稳定性产生有利影响,并且随着故障位置的向后移动,将更有利于电力系统暂态稳定。
在智能电网建设中成熟应用超导故障限流器,不仅可以有效地限制短路电流,还可以提高电力系统的暂态稳定性,从而扎实推进我国智能电网建设。
摘要：针对智能电网应用超导故障限流器(SFCL)时在输电电路中进行短路电流限制技术的研究,提出了SFCL的工作原理及数学模型,并基于单机对无穷大系统,推导出了在输电线路不同位置发生短路故障时,投入SFCL后的总转移阻抗和发电机的输出功率表达式。从功角特性曲线上分析了SFCL对电力系统暂态稳定性的影响情况,并用改进欧拉法对接入SFCL的电力系统进行了暂态稳定时域仿真研究,揭示了SFCL对系统暂态稳定性的影响规律。
关键词：智能电网,超导故障限流器,暂态稳定,功角特性,时域仿真
参考文献
[1]张永,牛潇晔,王洋,等.超导故障限流器[J].国际电力(超导技术),2005,9(2):57-60.
[2]杨勇.超导技术的发展及其在电力系统中的应用[J].电网技术,2001,25(9):48-60.
[3]叶莺,肖立业.超导故障限流器的应用研究新进展[J].电力系统自动化,2005,29(13):92-96.
[4]张绪红,周有庆.超导故障限流器的结构及特点[J].低温与超导,2002,30(4):20-25.
[5]赵彩宏,田立军,邹贵彬,江世芳.FCL对电力系统暂态稳定性影响的机理分析与仿真[J].电力自动化设备,2001,21(2):14-17.
超导故障限流器 篇2
摘要：自从2009年12月12日HXDIC型电力机车上线以来，发生了多起辅助变流器接地故障而引起的机故、机破，其中有辅助变流器本身的故障及其负载用电器方面的接地、短路故障，本人通过近年来的现场经验，指导队司机的故障指导等，总结了一套辅助变流器发生接地故障的检查及处理方法。
关键词： 电力机车 辅助变流器故障 分析 处理
一、引言：
HXDIC型是一种新的大功率六轴电力机车，机车轮周牵引功率达到72KW，轴式C0-C0。该机车的辅助变流器也是一种新的国产化研究成果，每辆机车装载2台辅助变流器。单台辅助变流器视在功率为248KVA，其额定输入电压为单相AC470V，逆变器输出电压为三相AC440V。
本文重点论述了辅助变流器简介、故障判断及故障处理方法。在实际作业过程中由于气温、短路、接地而引发的故障，多次发生故障后无法正常合主断的现象，导致机故或机破，影响铁路运输的正常秩序，因此提高乘务员的故障处理能力，成为当务之急。本文主要介绍了辅助变流器接地故障的判断、检查及处理方法。
二、HXDIC型电力机车辅助变流器简介：
·电力机车辅助系统是电力机车的重要组成部分，主要包括辅助电源、辅助电机以及相应的控制电路等部分。它的主要功能是保证电力机车主电路发押其功率，确保机车正常运行。
·HXDIC机车辅助系工作在冗余模式，每台配置两台辅助变流器（一台为CVCF，一台为VVVF），每台辅助变流器由单独的辅助供电。
·主要负载：机车辅助变流器负载包括6台牵引风机、2台冷却塔风机、2台空气压缩机，还有空调、照明设备等辅助电气设备。
·功能：2台辅助变流器并行工作，一台输出恒频恒压CVCF，另一台辅助变流器输出变频变压VVVF。机车运行过程中，任一台辅助变流器发生故障被隔离时，另一台辅助变流器都能单独承担所有机车负载正常运行。
三、辅助变流器发生故障原因分析：
乘务员操作中，由于对电力机车的使用性能不熟悉，发生故障时，不能用正常思路去查找故障，往往采取盲目的方法，又没有和有关技术部门联系，导致故障复杂化，从而造成列车延误，严重时造成D类一般事故。
案例一：
现象：2012年7月22日，鹰潭机务段萍乡运用车间，梁栋、杜忆文机班值乘HX175机车20075次萍乡—株洲的货物列车，当列车运行至东冲铺——五里墩区段，机车主断跳开，故障显示屏显示辅助变流器2故障，机班立即采用机车小复位（即连接按压操纵台上的“微机复位键”3次），切除辅助变流器2后，即能合闸，机班继续维持运行。
原因：机车辅助变流器2的空调有一项低电位点接地。
处理：即低电位点接地，按压微机复位3次，自动切除低电位点接地的空调及辅助变流器2。
分析：由于天气炎热，机车自乘务员在向西接班后，一直处于工作状态，加上天气爆晒机车温度高居不下，造成空调负载过热而发生接地。
案例二：
现象：HXD1C0124报途中辅助变流器1风机故障。
原因：辅助变流器1的风机有一项低电位点接地。
处理：更换该风机。
分析：在库内试验正常，但故障下载数据显示，的确在运行中报过辅助变流器1风机故障。由于HXD1C机车都将辅助变流器风机通过绝缘套管与车体绝缘，所以不存在报辅助变流器风机接地。但辅助变流器如果确实有接地（可通过测量风机三相绕组的六根引出线对风机机壳的绝缘来判断），则会引起风机过热，使风机内的过热继电器动作，断开风机电源，让风机不工作。等风机温度冷却下来，过热继电器又接通风机电源，使风机又投入工作。所以有了在途中报辅助变流器1故障，但到了库内实验又正常的现象。按照这种思路测量风机三相绕组的六根引出线对风机机壳的绝缘，发现有一相的两根线对风机机壳绝缘到零，找出了故障点。
案例三：
现象：2012年7月24日，鹰潭机务段萍乡运用车间，李如萍、刘孝云机班值乘HX224机车20026次萍乡—向塘货物列车，当列车运行至临江镇——张家山站间，机车主断跳开，故障显示屏显示故障为：辅助变流器2故障，机班立即采用机车小复位（即连接按压操纵台上的“微机复位键”3次），此时故障显示屏显示：ACU1、ACU2故障隔离，机班在停车后继续进行了机车大复位，但处理无效被迫救援。
原因：辅助变流器2负载的空气压缩机2发生高电位点接地。
处理：发生高电位点接地，可以使用甩除负载的方法进行故障处理，将该用电器的自动脱扣开关切除，即可以维持运行。
分析：在库内进行故障数据下载后发现，机车在临江镇通过时，机车空气压缩机一直处理工作状态长达18分钟，因此造成空气压缩机长时间高负荷运行，产生短路而引发高电位点接地。
四．处理方法：
发生辅助变流器故障之前，我们要弄清楚HXDIC型电力机车辅助变流器1、2分别有哪些用电器负荷：
ACU1的负载用电器有：
1—6牵引电机风机、冷却塔风机1、2；
ACU2的负载用电器有：
空气压缩机1、2；空调1、2；卫生间间加热、变流器风机1、2；油泵、水泵风机；
辅助变流器接地故障分二种情况：低电位点接地和高电位点接地；
用电器低电位点接地时：
发生跳主断后，在主断断开的情况下，按压操纵台上的“微机复位”键3次，可以自动切除发生低电位点接地的故障辅助变流器，使用另一个辅助变流器维持运行；与正常行运行区别是：机车不起变频节能功能。
用电器高电位点接地时：
当机车发生跳主断，机车故障显示屏发生辅助变流器故障，使用微机复位3次后机车自动切除二台辅助变流器时，则证明机车辅助系统用电器存在高电位点接地，此时必须停车处理，司机在选择合适的地点进行停车，做好防溜防护措施后降弓，进行故障处所判断，判断的方法为：根据故障显示屏查询辅助变流器故障的时间顺序，首先发生故障的ACU为该辅助系统内用电器存在高电位点接地，进行断电（1、站内停车的断开机车主电源开关；2、区间停车的，必须在保证监控、电台等不断电的情况下进行开关断开《方法祥见附件一》）；进行逐个甩除判断（ACU1常发故障为1-6牵引风机；ACU2常发故障为空调、空气压缩机组），将故障的负载脱扣开关人工断开，再合机车总电源开关降弓，进行故障检查，如果能够顺利合闸的，则为该负载电器高电位点接地，维持运行；如果故障依旧，不能合闸的，则继续利用甩除判断法处理。
案例：
现象：2011年4月21日，本人值乘的HX221机车34017次货物列车，当列车在张家山站停车待避客车，在开车前由于列车停车超过20分钟后进行试风，在打风时，机车突然跳主断，故障显示屏显示辅助变流器2故障隔离。
处理：本人第一时间向车站反映不能继续运行，然后进行故障处理，先微机复位3次后机车二台ACU均被隔离，此时则判断为ACU2的辅助系统存在高电位点接地，由于机车是在空气压缩机运转的状态下跳了主断，则在断主断降弓后进入机械间将低压柜上的空气压缩机2个自动脱扣开关人工断开，机车升弓合闸成功，证明机车压缩机组存在高电位点接地，于是再次断主断降弓将空气压缩机2自动脱扣开关人工合上，此时机车ACU1、2再次自动隔离，最后判断故障处所为：第二空气压缩机发生短路或高电位点接地。
分析：当发生高电位点接地时，乘务员处理时切勿慌张，应按照辅助系统的负载电路进行逐个判断处理，直到找到故障点。
附件一：
区间使用机车大复位时的操作办法及注意事项；
·监控装置是机车行驶的安全保障系统，当机车故障在区间内要使用大复位时，我们必须保障机车监控装置、无线通讯设备不断电的情况下进行。
方法：
1、首先将低压柜上的VCM1、VCM2自动脱扣开关同时断开，再将ACU1、ACU2开关同时断开，最后保留第三排前四个开关（监控、电台等），再断开其它的自动脱扣开关，完成一次断电复位；
2、在断电2分钟之后，保留VCM1、VCM2、ACU1、ACU2开关不合，将其它自动脱扣开关人工闭合，在确认其它开关闭合完毕后，同时合起ACU1、ACU2开关，等待2秒后再同时闭合VCM1、VCM2开关，此时机车完成了一次大复位。
注意：ACU1、ACU2开关必须同时断开、同时闭合；VCM1、VCM2开关必须同时断开、同时闭合。
五．结论：
经过对HXDIC7200kw电力机车辅助变流器故障现象的分析探讨，总结出的这套辅助变流器接地故障的检查、判断及处理的方法，在本指导队中协助乘务员在运行中处理辅助变流器故障案例6次，均成功寻找到故障处所，顺利地维持运行，保障了行车的安全，有效地避免了机故、机破的发生。
参考文献：
1、《HXDIC型电力机车司机手册》 南车株洲电力机车有限公司 2009年
超导限流器继电保护定值的整定计算 篇3
限流器是在输 (配) 电网发生短路故障时能够将电网短路电流限制在设定的安全幅值之下的电力设备, 集检测、触发和限流于一身, 是电力系统理想的限流装置。由于超导限流器的阻抗特性随短路电流变化而变化, 这就给继电保护定值的整定计算带来了困难。以下介绍其继电保护配置和整定计算方法。
2 超导限流器挂网运行接线
2.1 超导限流器的阻抗特性
超导限流器在系统正常运行时无电阻 (超导体处于超导态) ;在系统发生短路故障时, 迅速产生高阻抗 (超导体处于失超态) , 将故障短路电流限制到较低的水平。当线路故障排除后, 超导限流器可自动恢复超导态为再次限制短路电流做好准备。超导限流器阻抗特性见图1。
2.2 超导限流器挂网运行的接线方式
普吉变超导限流器挂网运行的接线方式见图2。
3 继电保护设计
投入运行时, 超导限流器两侧断路器闭合, 35kV线路341断路器断开, 线路经过超导限流器对此35kV线路供电。退出运行时, 35kV线路341断路器闭合, 超导限流器两侧断路器断开, 线路经过341断路器对此35kV线路供电。当超导限流器故障时, 通过备用电源自投装置动作恢复341断路器供电, 保证继续对线路提供可靠供电。
4 继电保护整定计算原则
35kV超导限流器的运行参数较为特殊, 其短路阻抗不是一个恒定的值, 会随着短路电流的变化而变化。根据其阻抗特性, 结合电网实际短路电流水平, 应把可能出现的最大、最小短路电流作为控制边界。在整定计算中, 限流器短路状态下最大有效阻抗取3.5629Ω (按可能出现的最小短路电流确定) , 最小有效阻抗取0.6064Ω (按可能出现的最大短路电流确定) 。
4.1 341断路器保护
35kV某线路341断路器保护整定原则:过流Ⅰ段按最大方式下躲线末最严重三相短路时的短路电流来整定过流Ⅰ段的保护定值, 保护动作时限为0s;过流Ⅱ段按最小方式下对全线有足够灵敏度来整定, 动作时限为0.3s;过流Ⅲ段按躲最大负荷电流来整定, 动作时限为1.7s;重合闸装置投入运行。
在这样的保护配置下, 35kV某线路全线不仅有主保护还有近后备保护。
4.2 374、375断路器保护
4.2.1 线路保护
仅374断路器配置线路保护, 375断路器配置的保护仅做操作回路和测控使用。374断路器配置的线路保护整定原则与341断路器保护整定原则一致。线路保护动作仅跳开374断路器, 重合闸装置投入运行, 为与电抗器差动保护相配合, 过流Ⅰ段动作时限取0.1s。当375断路器后段的电缆故障时, 由374断路器的线路保护动作跳开故障。而当374断路器前段的电缆故障时, 则由上一级的主变35kV后备保护来跳开故障。
4.2.2 电抗器保护
在374、375断路器之间配置电抗器保护。电抗器保护仅投入差动保护 (包括差动速断) , 保护动作跳开374、375断路器, 不进行重合, 启动备用电源自投装置合上341断路器恢复对线路供电。
4.3 35kV超导限流器备用电源自投装置
1 ) 此套备用电源自投装置仅在超导限流器投运时 (即374、375断路器在合闸位置) 有用, 其他情况均不能动作;
2) 374、375断路器因电抗器保护动作跳闸, 应启动备自投。
3) 结合特殊接线, 此套备用电源自投装置仅投入一种自投方式。
4) 此套备用电源自投装置无电压 (检有、无电压) 判据。
5 结束语
随着超导限流器的挂网运行, 相信超导技术必将会有更加广阔的应用, 掌握其继电保护整定计算的方法显然十分重要。
摘要：介绍了变电站超导限流器挂网运行继电保护配置和整定计算方法。
关键词：超导限流器,继电保护定值,整定计算
参考文献
[1]超导限流器[J].电工技术.2002年第7期.