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1、继电器RELAY直流超导故障限流器方案设计及限流效果仿真分析王晨，陈磊，唐跃进，李敬东，程时杰(华屮科技大学超导电力科学技术研究与发展中心，湖北武汉43()074)摘要：为满足直流电力系统故障保护的需要，捉出了一种新熨直流超导故障限流器(SCDCFCL)的结构，介绍了其工作原理，建立了数学模型，进行了两种不同直流源的Matlab仿真。仿真结果证明系统正常运行时，该型直流超导限流器对系统无影响;系统发生故障时，限流器的限流效果明显。关键词：超导；限流器；直流；短路中图分类号：1M725:1M471文献标识码：A文章编号：1003-4897(2005)06~0006~030引言
2、直流电力系统因其位置布置灵活、维护费用低，调速性能好而受到人们的青睐。舰船、E机、移动通讯、石油钻井平台等独立电力系统中都存在着大功率直流电源。在这些独立系统中，直流系统的故障保护问题是影响整个系统安全运行的突出问题。为了解决舰船等系统运行所要求的髙稳定性和可靠性,必须发展直流系统保护装置。目前，人们主要采用直流断路器來对直流电力系统进行故障保护，如-•种带转换电路的交流断路器保护装置⑴，该装置可开断高压直流，但存在过电压和结构复朵的缺点,并且断路器还存在高损耗、体积人等缺点。超导限流技术的发展成功克服了断路器和普通限流器的缺点。超导限流器的反应速度快、结构简单、体积小的特
3、点已经引起世界范围的广泛关注，直流超导限流器将成为未來直流电力系统保护装置的发展方向。口木Seikei人学在1990年开发岀4用丁直流输电故障保护的超导限流器样机⑵，实验证明直流超导限流器可冇效限制短路电流。本文提出一种新型直流超导故障限流器结构，通过建立其数学模型，进行数字仿真,证明该直流超导故障限流器具有明显的限流效果，并且正常状态下対电力系统无影响。1新型限流器结构和原理新型直流超导限流器(SCDCFCL)电路如图1所示，d为直流电源，/?,为负载冋路电阻，直流超导故障限流器rh绕在一个铁芯上的两个超导耦合线圈组成。两线圈自感均为乙它们的互感为M,其中一个超导线圈接入
4、负载线路屮，另一个超导线圈上加与负载电流大小相等的偏电流。短路故陰尺：丫奂载图1新型逍流超导限流器电路Fig1NewSCDCFCLcircuit正常运行时两个超导线圈通过方向相反、大小相等的电流，两个线圈产牛的磁通相互抵消,铁芯中磁通为零，限流器对系统无影响；发生短路故障时,负载冋路的电流增人，短路电流将被超导线圈电感限制。该型限流器的等效电路如图2所示，超导线圈电阻为零。由图2可知，系统正常运行时，控制偏置源伐，使得右二儿则i”=/；-A二()。超导限流器对负载电路呈现低阻抗，阻抗值很小，限流器对系统运行无影响。而系统正常运行时，超导线圈储存能量很小，故障保护后不会产生过
5、电压。图2直流超导限流器等效电路Fig2SCDCFCLequivalentcircuil基金项目:863计划资助项目(2002AA306331)当系统发生如图1所示短路故障时，如果忽略线路上的电阻和电感，巴不考虑铁芯饱和影响，可以得到下面一组电路方程式.•d/jdbL—=Edrdrd4cl/,L—7=E2・R24dzdt(1丿(2)安装限流器的负载冋路电流仿真结果。如图所示,短路前，负载电流为35.4A;短路后，限流器立即发挥限流作用，到短路后0.1s时，短路电流为90A;而未装限流器的系统，由于线路阻抗很小，短路电流迅速上升，在短路后0.1s时达到稳态值336A;可见，
6、限流器的限流效果明显。解得:R丄2+RM?_E,EXMi-7-Ex+_t-~L,’•&+・/?!R2L.・{t/T)fc=-__er2l其中.•〃…22eR2L+E丄+i(KI«(l(xl4()20V、Sr2lR2L厶为超导线圈自感；d为直流电源电压；Ri为克流回路负载；6为负载回路电流；M为超导线圈互感；伐为偏置电源电压;尺2为偏置冋路电肌；£为偏置冋路电流；1.91.9555.055.1t/s(b)无限流器1.9i.95o：).()：)3.1(a)有限流器当超导线圈耦合较好时,M与厶近似相等(M~ZJ,则®(),由式⑶得：Eit⑸根据式(5丿可知，短路后的负载电流「
7、与超导线圈口感厶成反比,即超导线圈口感越大，则限流效果越好。+•RR2理想直流源系统中的限流效果为验证该直流超导限流器的限流效果,采用图3所示的电路图进行Matlab仿真，负载冋路电源设为理想直流源。仿真参数：Ei=34()V,%=300V,Ri=86Q,/?2二&4Q。线路阻抗乙电阻为1Q,电感为1mH。线圈电感厶=1H,耦合系数P二098,•故障发生时刻4=5So图5自感L取不同值时的短路电流Fig5Faultcurrentofdifferentself-inductances图4负载屯流的仿真图(/,=5s)
