【正文】 兩相短路 兩相接地短路 簡單故障（單重故障） 不對稱故障 單相斷線 兩相斷線 復(fù)雜故障（多重故障） 其中，在電力系統(tǒng)中最常發(fā)生，且發(fā)生后危害及影響最嚴(yán)重的就是短路故障。 20 世紀(jì) 80 年代后期高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展 ,出現(xiàn)了高溫超導(dǎo)故障限流器(HTSFCL— High Temperature Superconducting Fault Current Limiter)， 使得高溫超導(dǎo)設(shè)備 (運(yùn)行在液氮溫區(qū) )與低溫超導(dǎo)設(shè)備 (運(yùn)行在液氦溫區(qū) )比較 ， 大大降低了運(yùn)行成本 ， 同時 ， 磁熱穩(wěn)定性也得到很大的提高。為提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性與可靠性，通常考慮從電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)運(yùn)行方式和設(shè)備三個方面進(jìn)行改進(jìn)。 本文以電力系統(tǒng)的短路故障為切入點(diǎn)，簡要闡述了短路故障的成因、形式、危害及保護(hù)，基于此引出研究背景和意義，繼而提出限制短路電流的一種新型有效手段 —— 裝設(shè)超導(dǎo)故障限流器（ SFCL），詳細(xì)闡明各類 SFCL 的結(jié)構(gòu)、原理、優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用，尤其通過 Matlab 的 Simulink 平臺模擬橋路式 SFCL,得出穩(wěn)態(tài)與故障態(tài)波形；并在故障態(tài)的條件下與傳統(tǒng)限流器進(jìn)行仿真比較，分析了橋路式SFCL 與傳統(tǒng)限流器在正常與故障情況下線路、超導(dǎo)線圈與二極管流過 的電流波形，歸納了經(jīng)典橋路式 SFCL 的穩(wěn)態(tài)和故障態(tài)工作特性。華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 摘 要 電力系統(tǒng)容量增加的同時，電氣連接也變得更加緊密，不斷增大的電網(wǎng)短路電流，將可能超過斷路器的額定開斷容量，使得斷路器不能正常動作。相信 隨著柔性交流輸電(Flexible AC Transmission System)技術(shù)的發(fā)展 ， 超導(dǎo)技術(shù)與電力電子技術(shù)相結(jié)合 ，SFCL 在輸配電網(wǎng)的應(yīng)用研究 必將 成為 21 世紀(jì)電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的前沿課題之一 。但是，通過改造電網(wǎng)結(jié)構(gòu)限制短路電流水平的費(fèi)用十分昂貴；改變系統(tǒng)運(yùn)行方式，如 :斷開電磁環(huán)網(wǎng)、斷開母聯(lián)開關(guān)、兩段母線獨(dú)立運(yùn)行等，能有效地降低短路電流水平，卻在一定程度上犧牲了電網(wǎng)的可靠性；在設(shè)備端口裝設(shè)常規(guī)限流電抗器、高阻變壓器等，則會導(dǎo)致網(wǎng)損增加，降低系統(tǒng)的 穩(wěn)定性，且其容量日漸不足的問題亟待解決 [5]。 HTSFCL 具有損耗低、能自動觸發(fā)、自動復(fù)位、可多次動作等特點(diǎn) ， 以其自身獨(dú)特的優(yōu)越性成為限流技術(shù)領(lǐng)域中相當(dāng)活躍的組成部分 [7]。短路是指電力系統(tǒng)正常運(yùn)行情況之外的一切相與相或相與地之間的短接，導(dǎo)致短路發(fā)生的原因是絕緣受到破壞。短路時，因短路回路的阻抗驟減，根據(jù)暫態(tài)過程的分析，短路電流將驟然增大，可能超過該回路額定電流的許多倍。 短路相當(dāng)于改變了電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，必然引起系統(tǒng)功率分布的變化，發(fā)電機(jī)輸出功率也相應(yīng)變化。只有讓短路問題造成的損害降到最低點(diǎn)，才會讓整個電力體系得到正常的運(yùn)作，那么 要經(jīng)歷做到下面的幾點(diǎn)： 仔細(xì)的對短路電流做出計(jì)算，依據(jù)算出的結(jié)果去安裝合適的設(shè)備，要求電氣設(shè)備的額定電壓和線路中的額定電壓是相吻合的。 電力操作人員在作業(yè)的時候要注意自己的操作步驟，不能出現(xiàn)一些失誤和錯誤。 在有電纜的地方要進(jìn)行標(biāo)注，提醒人們這里有電纜設(shè)備，引起百姓的注意。 選擇適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行方式 電網(wǎng)分成分區(qū)操作： 通過這樣的方式去管理電流有很多優(yōu)勢：比方說具有很清楚的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以很好的去進(jìn)行管理和處理問題，在供電上也有了很好的保障等； 使用分裂運(yùn)行的方法： 很多個母線分裂操作或者是母線分段操作，這樣就讓電流里的阻抗變大了，就能實(shí)現(xiàn)阻礙短路電流的目的。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前，美國、德國、口本、法國、瑞士、澳大利亞、加拿大和中國等國都相繼開展了 SFCL 的研究工作。 在日本，成蹊大學(xué)和中央電力試驗(yàn)研究所于 1998 年用 NbTi 研制出了600V/6A 的三相電抗器型 SFCL，并且進(jìn)行了入網(wǎng)試驗(yàn)。 瑞士 ABB 公司利用 Bi2212 研制成功三相 1. 2MW 的磁屏蔽型超導(dǎo)故障限流器 ， 并準(zhǔn)備安裝在 Lontsch 變電站投入試運(yùn)行 [14]。 澳大利亞 臥龍崗大學(xué) 超導(dǎo)和電子材料中心在竇士學(xué)教授的領(lǐng)導(dǎo)下于 1997 年研制出套銀陶瓷 HTC 線材， 在 77K 液氮溫度及零外場的條件下，臨界電流密度Jc 達(dá)到 6. 9KSA/cm 2，利用其制備的 HTCSFCL 在 6. 9KV 電網(wǎng)上試驗(yàn)結(jié)果證明華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 其能有效地抑制故障電流 [17]。 8 月 13 日 高溫超導(dǎo)限流器樣機(jī)經(jīng)過三次 10. 5 千伏充壓試驗(yàn)，投入高溪至百畝一線進(jìn)行 24 小時空載試驗(yàn)。裝設(shè)故障限流器是解決短路故障的重要手段，但傳統(tǒng)的限流器其容量日漸不能滿足需求、損耗大、反應(yīng)較慢等問題亟待解決，為此，超導(dǎo)故障限流器（ SFCL）就是新興的限流技術(shù)，相比傳統(tǒng)限流器，不僅很好解決了以上問題，甚至逐漸得到了實(shí)際應(yīng)用，對于 SFCL，目前國內(nèi)外正積極進(jìn)行研究，已取得了一些成果。由此，我們通過 Matlab 的 Simulink 平臺對一種橋式 SFCL 模型進(jìn)行仿真研究，在若干假設(shè)和等效條件下，通過系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)和故障態(tài)時各處電流的仿真，以及在故障態(tài)時與傳統(tǒng)故障限流器的比較，驗(yàn)證了這種限流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng) T=Tc 時，電阻 R=0。當(dāng)這兩種粒子相互碰撞，就會形成兩種后果：一是自由電子把能量傳遞給正離子，就會讓正離子的熱振動加快；還有一個就是自由電子改變了原來的運(yùn)動方向，就叫做散射。但是其實(shí)這是不正確的。 用超導(dǎo)體內(nèi)沒有電阻和邁斯納效應(yīng)，我們把超導(dǎo)體劃分為兩個大類，就是第I 類超導(dǎo)體和第 II 類超導(dǎo)體。 混合型 SFCL 圖 混合型 SFCL原理圖 混合型 SFCL(圖 )于 1992 年被人提出的，它的組成部分是超導(dǎo)線圈與變?nèi)A北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 壓器構(gòu)成的。如果出現(xiàn)問題的時候，副邊的電流就會變大，那么超導(dǎo)線圈就會失效，在串聯(lián)時，副邊就會自動的加入一個大電阻，那么很多的電流就會流入原邊，被原邊的電抗阻礙著；并聯(lián)的時候，超導(dǎo)線圈突然變成大電阻，那么變壓器的阻抗就會加大，對出現(xiàn)問題的電流就會起到阻礙的 作用。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 磁屏蔽型 SFCL 圖 磁屏蔽型 SFCL原理圖 磁屏蔽型 SFCL 的三大組成部分分別就是最外圈的銅線、中層的超導(dǎo)圓柱以及最內(nèi)層的鐵芯同軸，上圖所示的是磁屏蔽型 SFCL 正常操作的情況，超導(dǎo)圓柱為零阻礙，外圈的銅線以及零阻礙屏蔽筒間的氣隙漏磁可以用來確定裝置的阻抗，發(fā)生短路情況時，零阻礙環(huán)的電流值迅速的增加到臨界值，從而產(chǎn)生了較大的電流阻力，使得銅線圈的磁通可以運(yùn)行，帶動磁屏蔽型 SFCL 裝置的阻抗值增大，最終使得控制故障電流得到成功。 一般尋常情況之下，功率在線圈 L 無損失的基礎(chǔ)是直流偏流源 DC，因?yàn)樵谄浠A(chǔ)之下，流過線圈 L 的值是非常小的。 三相電抗器型 SFCL 圖 三相電抗器型 SFCL原理圖 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 上圖所示的是三相電抗器型零阻礙阻礙限制流器是由三個圈數(shù)相同的零阻礙繞組元素組成，尋常情況之下，均衡的三相電流之間的和為 0，磁通變化在鐵芯之間不具備，而且裝置具有較低的阻抗；當(dāng)具有單相接地電流不通過電流直接接通情況發(fā)生 時，非均衡的三相電流，會使得裝置的阻抗瞬間增大，也就為 SFCL 的大的零序阻抗控制阻礙電流提供了條件。所以這也就導(dǎo)致開發(fā)的電阻型 SFCL 的限定電流沒有達(dá)到 2KArms。能夠 進(jìn)行及時的重合閘工作的 SFCL 需要使用到兩類超導(dǎo)性線圈。 橋路型 SFCL 有著很大的優(yōu)勢：既可以在半秒的時間中從故障里恢復(fù)且不用其他系統(tǒng)的幫助，可以用以及時重合閘；這個時候線圈里面的電流為直流，所以不需要面對高交流型電流超導(dǎo)電纜等問題；因?yàn)榫€圈中沒有金屬類的部件，所以重量較低而且成本不高；在運(yùn)行的過程中，裝置電壓降低時不會影響波動情況的改變；能夠有效調(diào)整故障電流的縮減程度。不過，鐵芯與繞組數(shù)量需要依據(jù)雙倍的故障電流電壓大小進(jìn)行組裝，這就導(dǎo)致了其十分費(fèi)力；日常工作中鐵芯中的磁通量是飽和的，會出現(xiàn)明顯的泄漏磁場；而在故障期間鐵芯由于不斷地出現(xiàn)飽和與恢復(fù)的情況會導(dǎo)致明顯的電壓波動情況。不過這類 SFCL 還是要借助線路中所有的交流超導(dǎo)電纜；而這類電纜是有著金屬部件的，質(zhì)量很重而且成本高，損失程度也比較高。 橋路型 SFCL 拓?fù)浼胺抡娣治? 拓?fù)浞治觯? 橋路型 SFCL 屬于不失超型超導(dǎo)故障限流器，不同于失超型超導(dǎo)故障限流器所利用的超導(dǎo)體特有的電阻特性，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)充分利用了超導(dǎo)材料在直流狀態(tài)下無阻載流的特性。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 模型的假設(shè)與等效條件： 在 Matlab 的 Simulink 平臺下進(jìn)行建模，模型的基本原理圖如圖 示，該模型在穩(wěn)態(tài)時僅由電源、橋式 SFCL 和 RLC 負(fù)載組成，假設(shè)三相故障將 RLC 負(fù)載短路。 模型的建立： 基于此，選取交流電源（ AC Voltage Source） 10kV 供電，直流偏流電源 (DC Voltage Source）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)電壓，串聯(lián) RLC 支路 (Series RLC Branch1)作為負(fù)載，其中電阻 20kOhms，電感 50H，電容 10F，限流器電感 (L Branch)為 300H。故障電流縮減率 D%是表征橋式超導(dǎo)故障限流器限流效果的重要參數(shù)，其中 D 的取值范圍是 0D1,其表達(dá)式為： (35) ip 為無 SFCL 時發(fā)生三相短路的沖擊電流 ,它與系統(tǒng)的等值短路比 X/R 有關(guān)，計(jì)算式為： ip=[1+exp()]Ip=KimIp。 ilim為裝設(shè) SFCL 后，被限制短路電流的峰值，由式： (37) 來確定。 根據(jù)橋路式 SFCL模型提供的參數(shù)計(jì)算得橋式 SFCL短路故障電流縮減率約為 90%左右。 專家們預(yù)言 ,超導(dǎo)故障限流器（ SFCL）最有望在配電網(wǎng)中得 到應(yīng)用，而且，近些年來，面向配電系統(tǒng)的 SFCL 已經(jīng)接近實(shí)用化水平，在相關(guān)學(xué)者的努力研究下，各種類型的 SFCL 技術(shù)也在日益成熟。該論文對此的研究主要如下列所示： 電力系統(tǒng)最常見故障 —— 短路故障。 非失超型超導(dǎo)故障限流器 —— 橋路式 SFCL。 短路故障是電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程，當(dāng) SFCL 引入電網(wǎng)后，與傳統(tǒng)電力裝置相比具有不同的運(yùn)行特性，如其限流 的動態(tài)過程、 SFCL 運(yùn)行參數(shù)的設(shè)計(jì)如何與原有繼電保護(hù)系統(tǒng)的配合問題、 SFCL 對電力網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定性的影響等尚待深入研究。在這里，我首先要感謝的人就是我的指導(dǎo)老師張慧媛老師，從論文一開始的選題，到資料搜集，到論文修改到最后的定稿，在整個過程中，張老師都給予我不厭其煩的指導(dǎo)。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 、圖表要求： 1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準(zhǔn)請他人代寫 2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 華