一種基于電阻型超導(dǎo)限流器的高壓直流斷路器拓?fù)?/h1>
2022-09-01 08:54侯博敦章寶歌
蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào) 2022年4期
侯博敦，章寶歌
（蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，蘭州 730070）
相比于傳統(tǒng)的交流輸電方式，直流輸電技術(shù)憑借其傳輸容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸損耗小等優(yōu)點(diǎn)而受到越來(lái)越多的青睞［1］.近年來(lái)，由于光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源發(fā)電技術(shù)的不斷成熟，電網(wǎng)容量不斷增大，但其隨機(jī)性和間歇性的問題限制了大電網(wǎng)的連接，而柔性直流輸配電技術(shù)在一定程度上解決了大規(guī)模分布式能源并網(wǎng)的問題［2-3］.
高壓直流系統(tǒng)一旦發(fā)生接地短路故障，由于其損耗較小，因此故障電流大且上升速度極快［4-5］.高壓直流斷路器作為高壓直流輸電（high voltage direct current，HVDC）系統(tǒng)開斷故障電流的關(guān)鍵設(shè)備，其重要性不言而喻［6-7］.現(xiàn)如今高壓直流斷路器的技術(shù)仍未成熟，而其分類主要有3種：基于快速機(jī)械開關(guān)的機(jī)械式直流斷路器、基于全固態(tài)電力電子器件的固態(tài)直流斷路器和基于快速機(jī)械開關(guān)和全固態(tài)電力電子器件的混合式直流斷路器.機(jī)械式直流斷路器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通態(tài)損耗小，但開斷過(guò)程產(chǎn)生電弧，開斷時(shí)間長(zhǎng)，且不適用于大容量輸電系統(tǒng)；固態(tài)直流斷路器可靠性高，開斷容量大且不產(chǎn)生電弧，但其通態(tài)損耗大，造價(jià)更高；混合式直流斷路器結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，逐步成為了目前高壓直流斷路器的主要發(fā)展方向［8-10］.
在直流系統(tǒng)中安裝限流器用以限制故障電流的上升率和峰值成為近些年的研究熱點(diǎn)［11］，但是過(guò)高的阻抗會(huì)相應(yīng)的增大系統(tǒng)的損耗，降低電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力［12-13］.隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，電阻型超導(dǎo)故障限流器（resistive superconducting fault current limiter，RSFCL）由于其響應(yīng)速度快、抑制故障電流效果好、簡(jiǎn)單可控并且當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)損耗極小，完美解決了傳統(tǒng)限流器的不足，成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)［14-16］.
本文提出了一種基于電阻型超導(dǎo)限流器的高壓直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在基于自充電電容的混合高壓直流斷路器拓?fù)渲屑尤氤瑢?dǎo)限流器模塊，用以開斷故障電流的同時(shí)限制故障電流的峰值和上升率.通過(guò)在PSCAD/EMTDC中進(jìn)行仿真分析，證明該拓?fù)涞倪m用性.
1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理
1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖1為本文提出的基于電阻型超導(dǎo)限流器的高壓直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).該斷路器具備電容自充電、雙向阻斷和切除故障電流功能.圖1中，is為系統(tǒng)額定直流電流，ia為載流支路的電流，iT為換流支路的電流，L1，L2為系統(tǒng)兩端的平波電抗器，K0，K1為快速機(jī)械開關(guān).
如圖1所示，該斷路器拓?fù)渲饕?部分組成：超導(dǎo)限流單元、載流單元、換流單元以及釋能單元.超導(dǎo)限流單元為電阻型超導(dǎo)故障限流器，當(dāng)接地故障發(fā)生后，故障電流快速上升，RSFCL無(wú)延時(shí)響應(yīng)，抑制故障電流的上升率和峰值；載流單元由快速機(jī)械開關(guān)K1和少量IGBT器件GT1串聯(lián)組成，主要承載系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的額定直流電流；換流單元由晶閘管T1～T4、IGBT器件GT2和換向電容C組成，當(dāng)故障發(fā)生后斷路器動(dòng)作，該部分進(jìn)行換向換流；釋能單元主要由避雷器MOA組成，其中還包括接地端的二極管組，開斷故障電流后，避雷器吸收系統(tǒng)多余能量，接地二極管組也相應(yīng)的釋放電抗器中儲(chǔ)存的能量.
圖1 本文提出的斷路器拓?fù)銯ig.1 The circuit breaker topology proposed in this article
1.2 工作原理
1.2.1 系統(tǒng)正常合閘與電容自充電過(guò)程
相比于傳統(tǒng)的斷路器拓?fù)?，用于換向的電容器C大部分采用預(yù)充電方式.本文提出了一種利用系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的電源進(jìn)行電容器充電的方式.
圖2為系統(tǒng)電源為換向電容充電路徑.系統(tǒng)合閘分為5個(gè)階段（見圖3）：
圖2 電容自充電路徑Fig.2 Capacitor self-charging path
圖3 系統(tǒng)合閘控制時(shí)序圖Fig.3 System closing control sequence diagram
第一階段：假設(shè)系統(tǒng)t1時(shí)刻發(fā)出合閘命令，首先觸發(fā)導(dǎo)通快速機(jī)械開關(guān)K0，短暫的延遲后觸發(fā)導(dǎo)通換流部分的晶閘管T1，T4和IGBT器件GT2，同時(shí)觸發(fā)自充電支路晶閘管T5，電容C開始充電；
第二階段：確認(rèn)換流部分導(dǎo)通無(wú)誤后，于t2時(shí)刻閉合快速機(jī)械開關(guān)K1機(jī)械觸頭；
第三階段：經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫的延時(shí)后，機(jī)械開關(guān)K1于t3時(shí)刻完全閉合，同時(shí)給載流支路輔助開關(guān)GT1一個(gè)觸發(fā)導(dǎo)通信號(hào)，GT1幾乎無(wú)延時(shí)導(dǎo)通；
第四階段：確認(rèn)載流支路于t4時(shí)刻導(dǎo)通后，給IGBT器件GT2一個(gè)關(guān)斷信號(hào)，電流完全從換流支路轉(zhuǎn)移到載流支路，已導(dǎo)通的晶閘管閥組隨著電流歸零后自動(dòng)關(guān)斷.此過(guò)程中由于自充電支路電容充滿后電流為零，晶閘管T5自動(dòng)關(guān)斷；
第五階段：t5時(shí)刻電流全部流經(jīng)載流支路，系統(tǒng)開始正常運(yùn)行，合閘過(guò)程結(jié)束.
系統(tǒng)合閘過(guò)程中的自充電流程結(jié)束，電容充滿后將為故障分離做好準(zhǔn)備.
1.2.2 切除短路故障過(guò)程
本文提出的斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有雙向阻斷和切除故障電流功能，因此僅取如圖2所示短路故障發(fā)生位置進(jìn)行工作原理分析.假設(shè)t1時(shí)刻系統(tǒng)發(fā)生接地短路故障，斷路器切除短路故障各階段電流流向和電子器件工作路徑見圖4.
第一階段［0，t1）：t1時(shí)刻發(fā)生短路故障，故障電流開始上升，主回路中RSFCL無(wú)延時(shí)動(dòng)作，抑制短路電流上升率.
第二階段［t1，t2）：t1時(shí)刻保護(hù)裝置檢測(cè)到故障發(fā)生，斷路器開始動(dòng)作，觸發(fā)轉(zhuǎn)移支路中晶閘管閥組T1、IGBT閥組GT2和T4閥組開始導(dǎo)通，載流支路上的快速機(jī)械開關(guān)K1和輔助開關(guān)GT1準(zhǔn)備分?jǐn)?
第三階段［t2，t3）：t2時(shí)刻確認(rèn)轉(zhuǎn)移支路導(dǎo)通后，觸發(fā)關(guān)斷載流支路上的輔助換流開關(guān)GT1，同時(shí)快速機(jī)械開關(guān)K1觸頭開始無(wú)弧分?jǐn)?
第四階段［t3，t4）：t3時(shí)刻快速機(jī)械開關(guān)K1無(wú)弧分?jǐn)嗪螅o晶閘管閥組T2a一個(gè)觸發(fā)導(dǎo)通信號(hào)，換向電容C串入故障回路中開始放電，晶閘管閥組T1因承受反向電壓逐漸關(guān)斷.
第五階段［t4，t5）：t4時(shí)刻換向電容C放電結(jié)束后兩端電壓為零，開始被反向充電，晶閘管閥組T3因承受正向電壓開始導(dǎo)通，隨著電容C兩端電壓不斷增大至系統(tǒng)額定電壓時(shí)，故障電流及流過(guò)換向電容支路的電流開始減小.
第六階段（t=t5）：t5時(shí)刻電容C兩端電壓因反向充電達(dá)到最大值，流經(jīng)換向電容支路的電流降為零，晶閘管閥組T2a自動(dòng)關(guān)斷，故障電流全部流經(jīng)晶閘管閥組T3支路.
第七階段（t5，t6）：t5時(shí)刻電容C退出故障回路，立即觸發(fā)關(guān)斷斷路部分IGBT閥組GT2和晶閘管閥組T4，系統(tǒng)電壓達(dá)到避雷器的啟動(dòng)電壓，避雷器MOA開始動(dòng)作并導(dǎo)通，釋放電源側(cè)感性能量.
第八階段［t6，t7）：t6時(shí)刻非故障側(cè)通過(guò)避雷器放電的放電電流降為0，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障隔離，快速機(jī)械隔離開關(guān)K0斷開，RSFCL隨之退出故障回路，并在短暫的時(shí)間中逐漸恢復(fù)超導(dǎo)電性.
2 超導(dǎo)限流器的工作原理和建模方法
2.1 工作原理
超導(dǎo)體有三個(gè)非常重要的臨界參量：臨界電流密度Jc、臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc和臨界溫度Tc，如果這3個(gè)變量中有其中任何一個(gè)變量超過(guò)其臨界值，超導(dǎo)體會(huì)迅速?gòu)某瑢?dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎ｋ娮锠顟B(tài)，其電阻也會(huì)瞬間從零阻值轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦柚?電阻型超導(dǎo)限流器結(jié)構(gòu)等效為可變電阻Rsc和分流電阻Rp并聯(lián)［17］，如圖5所示.可變電阻Rsc是RSFCL的主體部分，承載了超導(dǎo)體失超過(guò)程中的短路電流，并限制短路電流的上升，降低短路電流的峰值；而Rp分流電阻的存在是為了防止短路電流過(guò)大而燒毀Rsc，對(duì)可變電阻Rsc起保護(hù)作用.在系統(tǒng)正常工作時(shí)，RSFCL的所有參量都在臨界范圍內(nèi)，RSFCL處于超導(dǎo)狀態(tài)，電阻值幾乎為零，對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行基本不產(chǎn)生影響；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障，短路電流迅速增大并超過(guò)臨界電流，RSFCL迅速失超，并呈現(xiàn)高阻態(tài)以限制短路電流；故障清除后，線路上的電流小于RSFCL的臨界電流值，RSFCL會(huì)短時(shí)間內(nèi)自動(dòng)恢復(fù)到超導(dǎo)態(tài).
圖5 RSFCL的結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of RSFCL
2.2 建模方法
相比于第一代鉍（Bi）系高溫超導(dǎo)帶材，第二代高溫超導(dǎo)帶材釔鋇銅氧（YBCO）簡(jiǎn)單穩(wěn)定，失超后電阻大，因此作為本文的理想選擇［18-19］.RSFCL的失超過(guò)程分為三個(gè)階段：超導(dǎo)狀態(tài)、磁通流狀態(tài)和正常電阻狀態(tài)［20-21］.下文分析中，所用到的變量含義如下：ILoad和ICritical分別為高壓直流系統(tǒng)的負(fù)載電流和臨界電流；E（T）為超導(dǎo)帶材的場(chǎng)強(qiáng)；Jc（T）為溫度T時(shí)的臨界電流密度；T和Tc分別為超導(dǎo)帶材的溫度和臨界溫度；ρTc為RSFCL在臨界溫度的導(dǎo)電電阻率；lsc和asc分別為超導(dǎo)帶材的長(zhǎng)度和橫截面積；Ec為臨界電場(chǎng)強(qiáng)度，一般取值為1μV/cm；α和β為固定系數(shù)，分別取值為α=6，β=5，其值參考文獻(xiàn)［21］.
3 斷路器工作各階段的理論分析
4 仿真分析
為了驗(yàn)證本文提出的基于電阻型超導(dǎo)限流器的高壓直流斷路器的開斷性能，在PSCAD/EMTDC仿真軟件中搭建320 kV/1.6 kA高壓直流接地系統(tǒng)模型.仿真參數(shù)見表1.
表1 斷路器仿真模型參數(shù)表Tab.1 Parameter table of circuit breaker simulation model
4.1 RSFCL電阻特性仿真分析
超導(dǎo)帶材作為RSFCL最重要的組成部分，它在限流器中相當(dāng)于一個(gè)可變電阻，當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)阻值基本為零，而在系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)阻值不斷升高并抑制短路電流的上升，其失超過(guò)程為非線性變化.超導(dǎo)帶材電阻特性如圖6所示.
圖6 RSFCL仿真電阻特性Fig.6 Resistance characteristics of RSFCL simulation
假設(shè)系統(tǒng)在0.2 s時(shí)發(fā)生接地短路故障.在0.2 s之前系統(tǒng)正常運(yùn)行，RSFCL處于超導(dǎo)狀態(tài)，電阻值為零；0.2 s時(shí)RSFCL接收到系統(tǒng)短路信號(hào)后，幾乎零延時(shí)響應(yīng)，系統(tǒng)故障電流超過(guò)RSFCL的臨界電流，RSFCL開始失超，電阻值不斷增大，經(jīng)過(guò)1.5 ms后失超電阻達(dá)到最大值Rm，有效限制了短路電流上升速度和峰值，充分說(shuō)明RSFCL失超的過(guò)程極為迅速，超導(dǎo)體處于磁通流狀態(tài)很短，在極短的時(shí)間內(nèi)便能達(dá)到最大阻值，并進(jìn)入正常電阻狀態(tài).
4.2 換流單元部分參數(shù)設(shè)計(jì)
4.2.1 換向電容C的設(shè)計(jì)
換向電容C的電容值選擇過(guò)程中，需要考慮多個(gè)方面：首先需要考慮在電流轉(zhuǎn)移過(guò)程中，通過(guò)電容C的電壓反向關(guān)斷晶閘管閥組T1；其次，需要考慮換流過(guò)程中電容反向充電階段；最后，考慮放電回路通過(guò)電感L3向電容C充電階段.
電容放電過(guò)程的能量平衡如式（18）所示，電容值的增大導(dǎo)致故障電流的增大.由圖7和8可以看出：電容值越大，其換向過(guò)程中電容電壓越小，但是電容值變大的過(guò)程中，故障電流的峰值隨之也在增大，同時(shí)故障清除時(shí)間變長(zhǎng).綜合考慮，文中320 kV/1.6 kA直流系統(tǒng)中換向電容C的取值為15μF.
圖7 電容C不同取值下U C 的變化Fig.7 Variation of U C under different values of capacitance C
圖8 電容C不同取值下i s的變化Fig.8 Variation of i s under different values of capacitor C
4.2.2 電感支路L3的設(shè)計(jì)
電感L3的存在對(duì)故障電流有抑制效果，但當(dāng)L3的值增大時(shí)，卻延長(zhǎng)了電流轉(zhuǎn)移的時(shí)間，影響換流速度.
當(dāng)流過(guò)電容支路的電流為零，即i2=0，代入式（14）可得
其中：Δt2為電感L3支路從開始導(dǎo)通到完全投入的時(shí)間.
由式（19）可知，電感支路的導(dǎo)通時(shí)長(zhǎng)隨著L3取值的增大而增大，同時(shí)，當(dāng)電感值增大時(shí)，流過(guò)電感支路的故障電流隨著故障切除，儲(chǔ)存的能量也將增大.如圖9～10所示，當(dāng)電感值增大時(shí)，換向電容C反向充電至最高電壓的時(shí)間隨之延長(zhǎng)，意味著電感支路投入時(shí)間增大，電容電壓UC也將增大，但電感值增大的同時(shí)，故障電流值反而會(huì)降低，故障切除時(shí)間更快，綜合考慮電感L3的取值為0.2 H.
圖9 電感L 3不同取值下U C 的變化Fig.9 Variation of U C under different values of inductance L3
圖10 電感L 3不同取值下i s的變化Fig.10 Variation of i s under different values of inductance L3
4.3 本文所提斷路器分?jǐn)嗵匦苑抡娣治?/h3>
由圖11可知：0.2 s之前系統(tǒng)正常運(yùn)行，額定電流為1.6 kA，RSFCL處于超導(dǎo)態(tài)，此時(shí)RSFCL的阻值幾乎為0，對(duì)系統(tǒng)幾乎不產(chǎn)生影響，充分顯示了相比于傳統(tǒng)限流措施產(chǎn)生損耗以及引起系統(tǒng)不穩(wěn)定等方面問題，RSFCL的優(yōu)勢(shì)更加明顯；假設(shè)系統(tǒng)在0.2 s時(shí)發(fā)生短路故障，故障電流迅速上升，經(jīng)過(guò)毫秒級(jí)時(shí)間故障電流達(dá)到了RSFCL的啟動(dòng)閾值，RSFCL開始失超，并抑制故障電流的上升率；在t=0.201 s時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管閥組T1、T4和IGBT閥組GT2，同時(shí)觸發(fā)關(guān)斷載流支路輔助開關(guān)GT1，由于器件性能差異，IGBT相比于晶閘管能更快導(dǎo)通，此時(shí)晶閘管閥組T1和T4將承受系統(tǒng)全部電壓，電流開始由載流支路向換流支路轉(zhuǎn)移，快速機(jī)械開關(guān)K1開始無(wú)弧分?jǐn)?；?jīng)過(guò)2 ms后機(jī)械開關(guān)K1觸頭達(dá)到安全開距，完成無(wú)弧分?jǐn)?；?jīng)過(guò)100μs的延遲后，于t=0.203 1 s觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管閥組T2a，電容C開始串入故障回路并開始放電，晶閘管T1因承受反向電壓逐漸關(guān)斷；0.203 3 s時(shí)電容C放電結(jié)束開始反向充電，當(dāng)電容充電至額定電壓時(shí)，故障電流is開始下降，而電容支路電流i2逐漸下降為0，晶閘管閥組T3因承受正向電壓導(dǎo)通，T3支路電流開始上升；當(dāng)電容C于0.203 7 s電壓到達(dá)最大值時(shí)電容支路電流下降為0，故障電流全部轉(zhuǎn)移至T3支路，同時(shí)觸發(fā)關(guān)斷IGBT閥組GT2和晶閘管閥組T4，此時(shí)由于器件特性，IGBT能更快關(guān)斷，T4閥組將獨(dú)自承受系統(tǒng)電壓，此時(shí)故障側(cè)電抗器L2中儲(chǔ)存的能量將通過(guò)接地電阻和二極管組放電；0.205 2 s避雷器達(dá)到啟動(dòng)電壓值時(shí)開始導(dǎo)通釋能，并于0.205 9 s釋能電流衰減為0.
如圖11所示，在整個(gè)故障分?jǐn)噙^(guò)程中，故障電流is在0.204 s達(dá)到峰值3.5 kA，而轉(zhuǎn)移支路電流iT在載流支路關(guān)斷瞬間也達(dá)到了3.5 kA，流過(guò)晶閘管支路T1的電流i1于0.203 2 s達(dá)到3.45 kA，電容支路導(dǎo)通后電流i2于0.203 3 s達(dá)到峰值3.4 kA后開始反向充電，反向電流峰值在0.207 1 s達(dá)到4 kA，閘管T3支路因?yàn)殡娙莘烹姡娏鱥3在0.207 1 s達(dá)到峰值4 kA，避雷器放電電流iMOA于0.205 4 s達(dá)到峰值2.4 kA后開始衰減.
圖11 仿真電流波形Fig.11 Simulated current waveform
由圖12可知：載流支路輔助開關(guān)GT1在0.205 3 s時(shí)其電壓UGT1達(dá)到最大承壓640 kV，同時(shí)在導(dǎo)通電流關(guān)斷支路后的主要承壓器件為晶閘管閥組T4，其電壓UT4達(dá)到最大承壓930 kV；電容C初始電壓值為400 kV，放電為0后又反向充電，最終電壓維持在400 kV左右，整個(gè)電容支路工作過(guò)程中電容方向變化為“正-負(fù)-正”，與前文的理論分析一致.
圖12 仿真電壓波形Fig.12 Simulated voltage waveform
為了更客觀地分析本文所提的斷路器拓?fù)涞姆謹(jǐn)嗄芰?，與ABB公司提出的斷路器拓?fù)湟约氨疚乃釘嗦菲魅コ齊SFCL后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖13所示.
由圖13可以看出：由于ABB方案沒有限流能力，故障電流始終以固定斜率上升到峰值；無(wú)RSFCL的拓?fù)湟驗(yàn)榉枪收蟼?cè)電感L3的存在，故障電流二次上升率有了一定程度的下降，且具備一定的限流能力；而本文提出的基于RSFCL的斷路器在檢測(cè)到故障發(fā)生后能迅速檢測(cè)零延時(shí)響應(yīng)，故障上升率有明顯下降，限流效果明顯，故障電流的峰值相比于ABB拓?fù)湎陆盗?1.7%，相比于無(wú)RSFCL的拓?fù)湎陆盗?5.5%.由于本文所提的斷路器拓?fù)鋵?duì)于電子器件的合理配置以及控制策略的優(yōu)化，故障分?jǐn)鄷r(shí)間更短，為5.9 ms.
圖13 故障電流對(duì)比Fig.13 Fault current comparison
相比于ABB方案和無(wú)RSFCL方案，本文方案故障電流的峰值和上升率明顯的下降，使分?jǐn)喙收系目焖俑綦x開關(guān)電氣應(yīng)力減小，增加了開關(guān)的使用壽命，也意味著同規(guī)格的電子器件有更大的開斷容量.
由于接地二極管旁路作用以及非故障側(cè)直流電抗的旁路，故障電流能更快地衰減為零，并且影響避雷器殘壓UMOA的下降時(shí)間以及最終壓差，同時(shí)避雷器釋放能量EMOA更少，避雷器釋能對(duì)比如圖14所示.由圖14可知：ABB斷路器拓?fù)涞谋芾灼麽屇芊禐? MJ，無(wú)RSFCL的斷路器拓?fù)溽屇芊禐?.65 MJ，而本文所提的斷路器拓?fù)溽屇芊禐?.75 MJ，相比于以上兩種方案分別下降了89.3%和54.5%，大大降低了避雷器的能量吸收率，在避雷器的容量設(shè)置方面有非常明顯的優(yōu)勢(shì).由圖15對(duì)比分析可得：雖然三種情況下避雷器的最高殘壓都達(dá)到了930 kV，但是本文提出的斷路器方案能更快速地釋能，釋能結(jié)束后也能更快速地恢復(fù)系統(tǒng)電壓.
圖14 避雷器釋能對(duì)比Fig.14 Comparison of energy release of arrester
圖15 避雷器殘壓對(duì)比Fig.15 Comparison of residual voltage of arrester
4.4 經(jīng)濟(jì)性分析
本文提出的基于電阻型超導(dǎo)限流器的高壓直流斷路器的固態(tài)開關(guān)全部由晶閘管和IGBT串并聯(lián)組成，為了增大線路的耐壓等級(jí)以及節(jié)約成本，更多地選用技術(shù)更成熟、耐壓高、價(jià)格較低的晶閘管，少量使用IGBT，本文選用ABB公司技術(shù)成熟的5SNA1500E330305型IGBT，額定參數(shù)為3.3 kV/1.5 kA.
由于IGBT的造價(jià)更高，因此IGBT的數(shù)量配置對(duì)斷路器的整體造價(jià)影響更大.ABB方案中載流支路和換流支路的最大承壓分別為480 kV和950 kV，因此串聯(lián)IGBT數(shù)量分別為146個(gè)和288個(gè)，考慮到載流能力采用并聯(lián)方式，總需求量為1 736個(gè).本文提出的斷路器方案IGBT主要用于載流支路，換流支路主要使用晶閘管，其中IGBT數(shù)量極少，可以忽略不計(jì)，IGBT需求量為591個(gè)，因此本文提出的方案經(jīng)濟(jì)性更佳，同時(shí)大量使用晶閘管，系統(tǒng)的可靠性也更高.
5 結(jié)論
本文提出了一種基于電阻型超導(dǎo)故障限流器的高壓直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)其仿真分析得出以下結(jié)論：
1）電阻型超導(dǎo)限流器在系統(tǒng)正常工作時(shí)幾乎不產(chǎn)生影響，穩(wěn)定性好，當(dāng)發(fā)生故障后無(wú)延時(shí)響應(yīng)，對(duì)故障電流的上升率和峰值有很明顯的限制作用；
2）由于電容存在泄露放電的情況，本文所提斷路器中加入電容自充電回路，當(dāng)系統(tǒng)合閘工作時(shí)為電容充電，為系統(tǒng)發(fā)生故障后斷路器動(dòng)作做好準(zhǔn)備；
3）本文所提斷路器拓?fù)洳捎脧?qiáng)迫關(guān)斷方式，機(jī)械開關(guān)分?jǐn)鄷r(shí)無(wú)電弧產(chǎn)生，使得隔離開關(guān)的壽命更長(zhǎng)，同時(shí)合理配備電力電子器件，使換流速度更快，并且避雷器的容量設(shè)置有很大的優(yōu)勢(shì).大量使用晶閘管，經(jīng)濟(jì)性更佳.
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侯博敦，章寶歌
（蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，蘭州 730070）
相比于傳統(tǒng)的交流輸電方式，直流輸電技術(shù)憑借其傳輸容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸損耗小等優(yōu)點(diǎn)而受到越來(lái)越多的青睞［1］.近年來(lái)，由于光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源發(fā)電技術(shù)的不斷成熟，電網(wǎng)容量不斷增大，但其隨機(jī)性和間歇性的問題限制了大電網(wǎng)的連接，而柔性直流輸配電技術(shù)在一定程度上解決了大規(guī)模分布式能源并網(wǎng)的問題［2-3］.
高壓直流系統(tǒng)一旦發(fā)生接地短路故障，由于其損耗較小，因此故障電流大且上升速度極快［4-5］.高壓直流斷路器作為高壓直流輸電（high voltage direct current，HVDC）系統(tǒng)開斷故障電流的關(guān)鍵設(shè)備，其重要性不言而喻［6-7］.現(xiàn)如今高壓直流斷路器的技術(shù)仍未成熟，而其分類主要有3種：基于快速機(jī)械開關(guān)的機(jī)械式直流斷路器、基于全固態(tài)電力電子器件的固態(tài)直流斷路器和基于快速機(jī)械開關(guān)和全固態(tài)電力電子器件的混合式直流斷路器.機(jī)械式直流斷路器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通態(tài)損耗小，但開斷過(guò)程產(chǎn)生電弧，開斷時(shí)間長(zhǎng)，且不適用于大容量輸電系統(tǒng)；固態(tài)直流斷路器可靠性高，開斷容量大且不產(chǎn)生電弧，但其通態(tài)損耗大，造價(jià)更高；混合式直流斷路器結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，逐步成為了目前高壓直流斷路器的主要發(fā)展方向［8-10］.
在直流系統(tǒng)中安裝限流器用以限制故障電流的上升率和峰值成為近些年的研究熱點(diǎn)［11］，但是過(guò)高的阻抗會(huì)相應(yīng)的增大系統(tǒng)的損耗，降低電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力［12-13］.隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，電阻型超導(dǎo)故障限流器（resistive superconducting fault current limiter，RSFCL）由于其響應(yīng)速度快、抑制故障電流效果好、簡(jiǎn)單可控并且當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)損耗極小，完美解決了傳統(tǒng)限流器的不足，成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)［14-16］.
本文提出了一種基于電阻型超導(dǎo)限流器的高壓直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在基于自充電電容的混合高壓直流斷路器拓?fù)渲屑尤氤瑢?dǎo)限流器模塊，用以開斷故障電流的同時(shí)限制故障電流的峰值和上升率.通過(guò)在PSCAD/EMTDC中進(jìn)行仿真分析，證明該拓?fù)涞倪m用性.
1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理
1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖1為本文提出的基于電阻型超導(dǎo)限流器的高壓直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).該斷路器具備電容自充電、雙向阻斷和切除故障電流功能.圖1中，is為系統(tǒng)額定直流電流，ia為載流支路的電流，iT為換流支路的電流，L1，L2為系統(tǒng)兩端的平波電抗器，K0，K1為快速機(jī)械開關(guān).
如圖1所示，該斷路器拓?fù)渲饕?部分組成：超導(dǎo)限流單元、載流單元、換流單元以及釋能單元.超導(dǎo)限流單元為電阻型超導(dǎo)故障限流器，當(dāng)接地故障發(fā)生后，故障電流快速上升，RSFCL無(wú)延時(shí)響應(yīng)，抑制故障電流的上升率和峰值；載流單元由快速機(jī)械開關(guān)K1和少量IGBT器件GT1串聯(lián)組成，主要承載系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的額定直流電流；換流單元由晶閘管T1～T4、IGBT器件GT2和換向電容C組成，當(dāng)故障發(fā)生后斷路器動(dòng)作，該部分進(jìn)行換向換流；釋能單元主要由避雷器MOA組成，其中還包括接地端的二極管組，開斷故障電流后，避雷器吸收系統(tǒng)多余能量，接地二極管組也相應(yīng)的釋放電抗器中儲(chǔ)存的能量.
圖1 本文提出的斷路器拓?fù)銯ig.1 The circuit breaker topology proposed in this article
1.2 工作原理
1.2.1 系統(tǒng)正常合閘與電容自充電過(guò)程
相比于傳統(tǒng)的斷路器拓?fù)?，用于換向的電容器C大部分采用預(yù)充電方式.本文提出了一種利用系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的電源進(jìn)行電容器充電的方式.
圖2為系統(tǒng)電源為換向電容充電路徑.系統(tǒng)合閘分為5個(gè)階段（見圖3）：
圖2 電容自充電路徑Fig.2 Capacitor self-charging path
圖3 系統(tǒng)合閘控制時(shí)序圖Fig.3 System closing control sequence diagram
第一階段：假設(shè)系統(tǒng)t1時(shí)刻發(fā)出合閘命令，首先觸發(fā)導(dǎo)通快速機(jī)械開關(guān)K0，短暫的延遲后觸發(fā)導(dǎo)通換流部分的晶閘管T1，T4和IGBT器件GT2，同時(shí)觸發(fā)自充電支路晶閘管T5，電容C開始充電；
第二階段：確認(rèn)換流部分導(dǎo)通無(wú)誤后，于t2時(shí)刻閉合快速機(jī)械開關(guān)K1機(jī)械觸頭；
第三階段：經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫的延時(shí)后，機(jī)械開關(guān)K1于t3時(shí)刻完全閉合，同時(shí)給載流支路輔助開關(guān)GT1一個(gè)觸發(fā)導(dǎo)通信號(hào)，GT1幾乎無(wú)延時(shí)導(dǎo)通；
第四階段：確認(rèn)載流支路于t4時(shí)刻導(dǎo)通后，給IGBT器件GT2一個(gè)關(guān)斷信號(hào)，電流完全從換流支路轉(zhuǎn)移到載流支路，已導(dǎo)通的晶閘管閥組隨著電流歸零后自動(dòng)關(guān)斷.此過(guò)程中由于自充電支路電容充滿后電流為零，晶閘管T5自動(dòng)關(guān)斷；
第五階段：t5時(shí)刻電流全部流經(jīng)載流支路，系統(tǒng)開始正常運(yùn)行，合閘過(guò)程結(jié)束.
系統(tǒng)合閘過(guò)程中的自充電流程結(jié)束，電容充滿后將為故障分離做好準(zhǔn)備.
1.2.2 切除短路故障過(guò)程
本文提出的斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有雙向阻斷和切除故障電流功能，因此僅取如圖2所示短路故障發(fā)生位置進(jìn)行工作原理分析.假設(shè)t1時(shí)刻系統(tǒng)發(fā)生接地短路故障，斷路器切除短路故障各階段電流流向和電子器件工作路徑見圖4.
第一階段［0，t1）：t1時(shí)刻發(fā)生短路故障，故障電流開始上升，主回路中RSFCL無(wú)延時(shí)動(dòng)作，抑制短路電流上升率.
第二階段［t1，t2）：t1時(shí)刻保護(hù)裝置檢測(cè)到故障發(fā)生，斷路器開始動(dòng)作，觸發(fā)轉(zhuǎn)移支路中晶閘管閥組T1、IGBT閥組GT2和T4閥組開始導(dǎo)通，載流支路上的快速機(jī)械開關(guān)K1和輔助開關(guān)GT1準(zhǔn)備分?jǐn)?
第三階段［t2，t3）：t2時(shí)刻確認(rèn)轉(zhuǎn)移支路導(dǎo)通后，觸發(fā)關(guān)斷載流支路上的輔助換流開關(guān)GT1，同時(shí)快速機(jī)械開關(guān)K1觸頭開始無(wú)弧分?jǐn)?
第四階段［t3，t4）：t3時(shí)刻快速機(jī)械開關(guān)K1無(wú)弧分?jǐn)嗪螅o晶閘管閥組T2a一個(gè)觸發(fā)導(dǎo)通信號(hào)，換向電容C串入故障回路中開始放電，晶閘管閥組T1因承受反向電壓逐漸關(guān)斷.
第五階段［t4，t5）：t4時(shí)刻換向電容C放電結(jié)束后兩端電壓為零，開始被反向充電，晶閘管閥組T3因承受正向電壓開始導(dǎo)通，隨著電容C兩端電壓不斷增大至系統(tǒng)額定電壓時(shí)，故障電流及流過(guò)換向電容支路的電流開始減小.
第六階段（t=t5）：t5時(shí)刻電容C兩端電壓因反向充電達(dá)到最大值，流經(jīng)換向電容支路的電流降為零，晶閘管閥組T2a自動(dòng)關(guān)斷，故障電流全部流經(jīng)晶閘管閥組T3支路.
第七階段（t5，t6）：t5時(shí)刻電容C退出故障回路，立即觸發(fā)關(guān)斷斷路部分IGBT閥組GT2和晶閘管閥組T4，系統(tǒng)電壓達(dá)到避雷器的啟動(dòng)電壓，避雷器MOA開始動(dòng)作并導(dǎo)通，釋放電源側(cè)感性能量.
第八階段［t6，t7）：t6時(shí)刻非故障側(cè)通過(guò)避雷器放電的放電電流降為0，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障隔離，快速機(jī)械隔離開關(guān)K0斷開，RSFCL隨之退出故障回路，并在短暫的時(shí)間中逐漸恢復(fù)超導(dǎo)電性.
2 超導(dǎo)限流器的工作原理和建模方法
2.1 工作原理
超導(dǎo)體有三個(gè)非常重要的臨界參量：臨界電流密度Jc、臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc和臨界溫度Tc，如果這3個(gè)變量中有其中任何一個(gè)變量超過(guò)其臨界值，超導(dǎo)體會(huì)迅速?gòu)某瑢?dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎ｋ娮锠顟B(tài)，其電阻也會(huì)瞬間從零阻值轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦柚?電阻型超導(dǎo)限流器結(jié)構(gòu)等效為可變電阻Rsc和分流電阻Rp并聯(lián)［17］，如圖5所示.可變電阻Rsc是RSFCL的主體部分，承載了超導(dǎo)體失超過(guò)程中的短路電流，并限制短路電流的上升，降低短路電流的峰值；而Rp分流電阻的存在是為了防止短路電流過(guò)大而燒毀Rsc，對(duì)可變電阻Rsc起保護(hù)作用.在系統(tǒng)正常工作時(shí)，RSFCL的所有參量都在臨界范圍內(nèi)，RSFCL處于超導(dǎo)狀態(tài)，電阻值幾乎為零，對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行基本不產(chǎn)生影響；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障，短路電流迅速增大并超過(guò)臨界電流，RSFCL迅速失超，并呈現(xiàn)高阻態(tài)以限制短路電流；故障清除后，線路上的電流小于RSFCL的臨界電流值，RSFCL會(huì)短時(shí)間內(nèi)自動(dòng)恢復(fù)到超導(dǎo)態(tài).
圖5 RSFCL的結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of RSFCL
2.2 建模方法
相比于第一代鉍（Bi）系高溫超導(dǎo)帶材，第二代高溫超導(dǎo)帶材釔鋇銅氧（YBCO）簡(jiǎn)單穩(wěn)定，失超后電阻大，因此作為本文的理想選擇［18-19］.RSFCL的失超過(guò)程分為三個(gè)階段：超導(dǎo)狀態(tài)、磁通流狀態(tài)和正常電阻狀態(tài)［20-21］.下文分析中，所用到的變量含義如下：ILoad和ICritical分別為高壓直流系統(tǒng)的負(fù)載電流和臨界電流；E（T）為超導(dǎo)帶材的場(chǎng)強(qiáng)；Jc（T）為溫度T時(shí)的臨界電流密度；T和Tc分別為超導(dǎo)帶材的溫度和臨界溫度；ρTc為RSFCL在臨界溫度的導(dǎo)電電阻率；lsc和asc分別為超導(dǎo)帶材的長(zhǎng)度和橫截面積；Ec為臨界電場(chǎng)強(qiáng)度，一般取值為1μV/cm；α和β為固定系數(shù)，分別取值為α=6，β=5，其值參考文獻(xiàn)［21］.
3 斷路器工作各階段的理論分析
4 仿真分析
為了驗(yàn)證本文提出的基于電阻型超導(dǎo)限流器的高壓直流斷路器的開斷性能，在PSCAD/EMTDC仿真軟件中搭建320 kV/1.6 kA高壓直流接地系統(tǒng)模型.仿真參數(shù)見表1.
表1 斷路器仿真模型參數(shù)表Tab.1 Parameter table of circuit breaker simulation model
4.1 RSFCL電阻特性仿真分析
超導(dǎo)帶材作為RSFCL最重要的組成部分，它在限流器中相當(dāng)于一個(gè)可變電阻，當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)阻值基本為零，而在系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)阻值不斷升高并抑制短路電流的上升，其失超過(guò)程為非線性變化.超導(dǎo)帶材電阻特性如圖6所示.
圖6 RSFCL仿真電阻特性Fig.6 Resistance characteristics of RSFCL simulation
假設(shè)系統(tǒng)在0.2 s時(shí)發(fā)生接地短路故障.在0.2 s之前系統(tǒng)正常運(yùn)行，RSFCL處于超導(dǎo)狀態(tài)，電阻值為零；0.2 s時(shí)RSFCL接收到系統(tǒng)短路信號(hào)后，幾乎零延時(shí)響應(yīng)，系統(tǒng)故障電流超過(guò)RSFCL的臨界電流，RSFCL開始失超，電阻值不斷增大，經(jīng)過(guò)1.5 ms后失超電阻達(dá)到最大值Rm，有效限制了短路電流上升速度和峰值，充分說(shuō)明RSFCL失超的過(guò)程極為迅速，超導(dǎo)體處于磁通流狀態(tài)很短，在極短的時(shí)間內(nèi)便能達(dá)到最大阻值，并進(jìn)入正常電阻狀態(tài).
4.2 換流單元部分參數(shù)設(shè)計(jì)
4.2.1 換向電容C的設(shè)計(jì)
換向電容C的電容值選擇過(guò)程中，需要考慮多個(gè)方面：首先需要考慮在電流轉(zhuǎn)移過(guò)程中，通過(guò)電容C的電壓反向關(guān)斷晶閘管閥組T1；其次，需要考慮換流過(guò)程中電容反向充電階段；最后，考慮放電回路通過(guò)電感L3向電容C充電階段.
電容放電過(guò)程的能量平衡如式（18）所示，電容值的增大導(dǎo)致故障電流的增大.由圖7和8可以看出：電容值越大，其換向過(guò)程中電容電壓越小，但是電容值變大的過(guò)程中，故障電流的峰值隨之也在增大，同時(shí)故障清除時(shí)間變長(zhǎng).綜合考慮，文中320 kV/1.6 kA直流系統(tǒng)中換向電容C的取值為15μF.
圖7 電容C不同取值下U C 的變化Fig.7 Variation of U C under different values of capacitance C
圖8 電容C不同取值下i s的變化Fig.8 Variation of i s under different values of capacitor C
4.2.2 電感支路L3的設(shè)計(jì)
電感L3的存在對(duì)故障電流有抑制效果，但當(dāng)L3的值增大時(shí)，卻延長(zhǎng)了電流轉(zhuǎn)移的時(shí)間，影響換流速度.
當(dāng)流過(guò)電容支路的電流為零，即i2=0，代入式（14）可得
其中：Δt2為電感L3支路從開始導(dǎo)通到完全投入的時(shí)間.
由式（19）可知，電感支路的導(dǎo)通時(shí)長(zhǎng)隨著L3取值的增大而增大，同時(shí)，當(dāng)電感值增大時(shí)，流過(guò)電感支路的故障電流隨著故障切除，儲(chǔ)存的能量也將增大.如圖9～10所示，當(dāng)電感值增大時(shí)，換向電容C反向充電至最高電壓的時(shí)間隨之延長(zhǎng)，意味著電感支路投入時(shí)間增大，電容電壓UC也將增大，但電感值增大的同時(shí)，故障電流值反而會(huì)降低，故障切除時(shí)間更快，綜合考慮電感L3的取值為0.2 H.
圖9 電感L 3不同取值下U C 的變化Fig.9 Variation of U C under different values of inductance L3
圖10 電感L 3不同取值下i s的變化Fig.10 Variation of i s under different values of inductance L3
4.3 本文所提斷路器分?jǐn)嗵匦苑抡娣治?/h3>
由圖11可知：0.2 s之前系統(tǒng)正常運(yùn)行，額定電流為1.6 kA，RSFCL處于超導(dǎo)態(tài)，此時(shí)RSFCL的阻值幾乎為0，對(duì)系統(tǒng)幾乎不產(chǎn)生影響，充分顯示了相比于傳統(tǒng)限流措施產(chǎn)生損耗以及引起系統(tǒng)不穩(wěn)定等方面問題，RSFCL的優(yōu)勢(shì)更加明顯；假設(shè)系統(tǒng)在0.2 s時(shí)發(fā)生短路故障，故障電流迅速上升，經(jīng)過(guò)毫秒級(jí)時(shí)間故障電流達(dá)到了RSFCL的啟動(dòng)閾值，RSFCL開始失超，并抑制故障電流的上升率；在t=0.201 s時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管閥組T1、T4和IGBT閥組GT2，同時(shí)觸發(fā)關(guān)斷載流支路輔助開關(guān)GT1，由于器件性能差異，IGBT相比于晶閘管能更快導(dǎo)通，此時(shí)晶閘管閥組T1和T4將承受系統(tǒng)全部電壓，電流開始由載流支路向換流支路轉(zhuǎn)移，快速機(jī)械開關(guān)K1開始無(wú)弧分?jǐn)?；?jīng)過(guò)2 ms后機(jī)械開關(guān)K1觸頭達(dá)到安全開距，完成無(wú)弧分?jǐn)?；?jīng)過(guò)100μs的延遲后，于t=0.203 1 s觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管閥組T2a，電容C開始串入故障回路并開始放電，晶閘管T1因承受反向電壓逐漸關(guān)斷；0.203 3 s時(shí)電容C放電結(jié)束開始反向充電，當(dāng)電容充電至額定電壓時(shí)，故障電流is開始下降，而電容支路電流i2逐漸下降為0，晶閘管閥組T3因承受正向電壓導(dǎo)通，T3支路電流開始上升；當(dāng)電容C于0.203 7 s電壓到達(dá)最大值時(shí)電容支路電流下降為0，故障電流全部轉(zhuǎn)移至T3支路，同時(shí)觸發(fā)關(guān)斷IGBT閥組GT2和晶閘管閥組T4，此時(shí)由于器件特性，IGBT能更快關(guān)斷，T4閥組將獨(dú)自承受系統(tǒng)電壓，此時(shí)故障側(cè)電抗器L2中儲(chǔ)存的能量將通過(guò)接地電阻和二極管組放電；0.205 2 s避雷器達(dá)到啟動(dòng)電壓值時(shí)開始導(dǎo)通釋能，并于0.205 9 s釋能電流衰減為0.
如圖11所示，在整個(gè)故障分?jǐn)噙^(guò)程中，故障電流is在0.204 s達(dá)到峰值3.5 kA，而轉(zhuǎn)移支路電流iT在載流支路關(guān)斷瞬間也達(dá)到了3.5 kA，流過(guò)晶閘管支路T1的電流i1于0.203 2 s達(dá)到3.45 kA，電容支路導(dǎo)通后電流i2于0.203 3 s達(dá)到峰值3.4 kA后開始反向充電，反向電流峰值在0.207 1 s達(dá)到4 kA，閘管T3支路因?yàn)殡娙莘烹姡娏鱥3在0.207 1 s達(dá)到峰值4 kA，避雷器放電電流iMOA于0.205 4 s達(dá)到峰值2.4 kA后開始衰減.
圖11 仿真電流波形Fig.11 Simulated current waveform
由圖12可知：載流支路輔助開關(guān)GT1在0.205 3 s時(shí)其電壓UGT1達(dá)到最大承壓640 kV，同時(shí)在導(dǎo)通電流關(guān)斷支路后的主要承壓器件為晶閘管閥組T4，其電壓UT4達(dá)到最大承壓930 kV；電容C初始電壓值為400 kV，放電為0后又反向充電，最終電壓維持在400 kV左右，整個(gè)電容支路工作過(guò)程中電容方向變化為“正-負(fù)-正”，與前文的理論分析一致.
圖12 仿真電壓波形Fig.12 Simulated voltage waveform
為了更客觀地分析本文所提的斷路器拓?fù)涞姆謹(jǐn)嗄芰?，與ABB公司提出的斷路器拓?fù)湟约氨疚乃釘嗦菲魅コ齊SFCL后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖13所示.
由圖13可以看出：由于ABB方案沒有限流能力，故障電流始終以固定斜率上升到峰值；無(wú)RSFCL的拓?fù)湟驗(yàn)榉枪收蟼?cè)電感L3的存在，故障電流二次上升率有了一定程度的下降，且具備一定的限流能力；而本文提出的基于RSFCL的斷路器在檢測(cè)到故障發(fā)生后能迅速檢測(cè)零延時(shí)響應(yīng)，故障上升率有明顯下降，限流效果明顯，故障電流的峰值相比于ABB拓?fù)湎陆盗?1.7%，相比于無(wú)RSFCL的拓?fù)湎陆盗?5.5%.由于本文所提的斷路器拓?fù)鋵?duì)于電子器件的合理配置以及控制策略的優(yōu)化，故障分?jǐn)鄷r(shí)間更短，為5.9 ms.
圖13 故障電流對(duì)比Fig.13 Fault current comparison
相比于ABB方案和無(wú)RSFCL方案，本文方案故障電流的峰值和上升率明顯的下降，使分?jǐn)喙收系目焖俑綦x開關(guān)電氣應(yīng)力減小，增加了開關(guān)的使用壽命，也意味著同規(guī)格的電子器件有更大的開斷容量.
由于接地二極管旁路作用以及非故障側(cè)直流電抗的旁路，故障電流能更快地衰減為零，并且影響避雷器殘壓UMOA的下降時(shí)間以及最終壓差，同時(shí)避雷器釋放能量EMOA更少，避雷器釋能對(duì)比如圖14所示.由圖14可知：ABB斷路器拓?fù)涞谋芾灼麽屇芊禐? MJ，無(wú)RSFCL的斷路器拓?fù)溽屇芊禐?.65 MJ，而本文所提的斷路器拓?fù)溽屇芊禐?.75 MJ，相比于以上兩種方案分別下降了89.3%和54.5%，大大降低了避雷器的能量吸收率，在避雷器的容量設(shè)置方面有非常明顯的優(yōu)勢(shì).由圖15對(duì)比分析可得：雖然三種情況下避雷器的最高殘壓都達(dá)到了930 kV，但是本文提出的斷路器方案能更快速地釋能，釋能結(jié)束后也能更快速地恢復(fù)系統(tǒng)電壓.
圖14 避雷器釋能對(duì)比Fig.14 Comparison of energy release of arrester
圖15 避雷器殘壓對(duì)比Fig.15 Comparison of residual voltage of arrester
4.4 經(jīng)濟(jì)性分析
本文提出的基于電阻型超導(dǎo)限流器的高壓直流斷路器的固態(tài)開關(guān)全部由晶閘管和IGBT串并聯(lián)組成，為了增大線路的耐壓等級(jí)以及節(jié)約成本，更多地選用技術(shù)更成熟、耐壓高、價(jià)格較低的晶閘管，少量使用IGBT，本文選用ABB公司技術(shù)成熟的5SNA1500E330305型IGBT，額定參數(shù)為3.3 kV/1.5 kA.
由于IGBT的造價(jià)更高，因此IGBT的數(shù)量配置對(duì)斷路器的整體造價(jià)影響更大.ABB方案中載流支路和換流支路的最大承壓分別為480 kV和950 kV，因此串聯(lián)IGBT數(shù)量分別為146個(gè)和288個(gè)，考慮到載流能力采用并聯(lián)方式，總需求量為1 736個(gè).本文提出的斷路器方案IGBT主要用于載流支路，換流支路主要使用晶閘管，其中IGBT數(shù)量極少，可以忽略不計(jì)，IGBT需求量為591個(gè)，因此本文提出的方案經(jīng)濟(jì)性更佳，同時(shí)大量使用晶閘管，系統(tǒng)的可靠性也更高.
5 結(jié)論
本文提出了一種基于電阻型超導(dǎo)故障限流器的高壓直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)其仿真分析得出以下結(jié)論：
1）電阻型超導(dǎo)限流器在系統(tǒng)正常工作時(shí)幾乎不產(chǎn)生影響，穩(wěn)定性好，當(dāng)發(fā)生故障后無(wú)延時(shí)響應(yīng)，對(duì)故障電流的上升率和峰值有很明顯的限制作用；
2）由于電容存在泄露放電的情況，本文所提斷路器中加入電容自充電回路，當(dāng)系統(tǒng)合閘工作時(shí)為電容充電，為系統(tǒng)發(fā)生故障后斷路器動(dòng)作做好準(zhǔn)備；
3）本文所提斷路器拓?fù)洳捎脧?qiáng)迫關(guān)斷方式，機(jī)械開關(guān)分?jǐn)鄷r(shí)無(wú)電弧產(chǎn)生，使得隔離開關(guān)的壽命更長(zhǎng)，同時(shí)合理配備電力電子器件，使換流速度更快，并且避雷器的容量設(shè)置有很大的優(yōu)勢(shì).大量使用晶閘管，經(jīng)濟(jì)性更佳.
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