基于Ansoft的500kVSICSFCL仿真分析

李 晶 ,宋 萌 ,王 龙 ,胡南南 ，曹昆南 ，王达达

（1.云南电网公司研究生工作站 云南 昆明 650217；2.昆明理工大学 电力工程学院,云南 昆明 650500；3.云南电力试验研究院（集团）有限公司电力研究院 云南 昆明650217）

随着经济和社会的发展，电力需求不断增加，电网容量也不断扩大，电网的潜在短路功率和故障短路电流也随之增大，因此要求电气设备的抗大电流冲击能力越来越高。电网出现短路故障时，SFCL因其集检测、转换和限流于一身的特点可减少降低电网电流短路水平，提高供电可靠性和安全性。利用Ansoft软件电磁暂态仿真，建立了SICSFCL的电磁模型，并对500 kV/3150A SICSFCL电磁仿真以及各种情况下的过电压水平进行分析。

1 饱和铁芯型超导限流器工作原理

理想的SFCL应具有特征：正常运行时稳定且呈现的阻抗几乎为零；当发生短路故障时，应立刻呈现为大阻抗，故障切除后应立即返回到原来的状态[1-2]；并且能在短期内承受多次故障电流的冲击等。尤其SICSFCL在故障限制期间超导线圈不失超，有多次自动起动能力，适于多次重合闸运行；超导线圈是直流的，所需的直流超导电缆较易制造，可采用金属杜瓦，真空容器用铝合金作电磁屏蔽；正常运行于故障状态间的转变是渐变的，过电压小。其原理图如图1示。

图1 SICSFCL的原理图Fig.1 Schematic of the individual SICSFCL

SICSFCL由一对铁心电抗器组成，每个铁心上均有一组铜的交流限制绕阻L1和L2，和一组直流超导绕阻X1和X2，两个交流限制绕阻反极性串联，直流超导绕阻串联加直流偏压源。系统正常运行时，调节直流偏压源使两个铁心饱和，装置呈现低阻抗；当线路故障时，短路电流使两个铁心在一个周期内交替去饱和，装置呈现高阻抗，从而限制了故障电流[3-4]。

2 500 kV/3150 A SICSFCL电磁模型

500 kV/3150 A三相饱和铁芯型超导限流器样机的3D Aansoft Maxwell电磁模型如图2所示。

图2 500ψψψkV/3150A三相SICSFCL 3D电磁模型Fig.2 3D Electromagnetic of 500kV/3150A

3 SICSFCL电磁仿真分析

3.1 SICSFCL稳态电磁仿真分析

考虑SICSFCL模型应用于500 kV电网中，SICSFCL串接到母线出口侧，其稳态仿真波形如图3至7所示。因SICSFCL为感性电抗，仿真中线路阻抗为纯电阻时可获得最差限流效果，此状态可更好观察SICSFCL的限流效果。故障设置为A相单相接地短路，故障时间0 ms。

由图3至7可知，系统正常运行时流经SICSFCL电流最大值4 375 A，系统电流基本无畸变，说明其对线路电流影响较小。A相交流两绕组稳态最大压降最大值均小于19 kV,A相压降波形（稳态）系统压降有效值约为12.1 Kv,均小于线路压降1%符合设计要求。故超导限流器稳态运行时不会对线路电流、电压及电能质量造成负面影响[5]。

图3 交流绕阻压降波形（稳态）Fig.3 AC winding voltage drop waveform(steady-state)

图4 直流绕组电压波形（稳态）Fig.4 DCwinding voltage drop waveform(steady-state)

图5 直流绕组电流波形（稳态）Fig.5 DCwinding current waveform(steady-state)

图6 SICSFCL的功率波形（稳态）Fig.6 SICSFCL power waveform(steady-state)

图7 SICSFCL交流绕组电压波形（稳态）Fig.7 ACwinding voltage waveform(steady-state)

3.2 SICSFCL A相接地短路电流60 kA时电磁仿真

500kV/3150A SICSFCL单相接地短路（故障电流60 kA）的仿真波形如图8～图11所示。仿真中线路阻抗均为纯电阻。

图8 交流绕阻压降波形（60kA）Fig.8 ACwinding voltage drop waveform(60kA)

SICSFCL在正常稳态工作时呈现低阻抗特性，稳态压降约为2.3%，电流谐波畸变率小；当输电线路发生短路故障时，限流器阻抗增大，且不同短路电流所对应的限流阻抗不同，电流畸变程度也不同。铁芯存在的局部不饱和区域导致了交直流绕组间的互感和交流绕组自感在正负半周的不平衡[6-7]。

图9 直流绕组电压波形（60 kA）Fig.9 DCwinding voltage drop waveform(60 kA)

图10 直流绕组电流波形（60 kA）Fig.10 DCwinding current waveform(60 kA)

图11 SICSFCL的功率波形（60 kA）Fig.11 SICSFCL power waveform(60 kA)

由图12～15知可知铁芯饱和程度不够，或者存在大范围的局部饱和现象。故障下过电压过高表明交流绕组和直流绕组间存在较大的互感耦合，应从设计上寻求方法予以消除。总体来说500 kV/3150 A饱和铁芯型超导限流器设计方案仍旧存在一些缺陷，在工程制造前还应进一步优化和改进。

当系统发生单项短路电流60 kA故障时，流经SICSFCL电流最大值88 kA，远大于系统稳态电流值，且含有丰富的电流谐波，故障暂态电流存在畸变。A相两个交流绕组最大压降值约470 kV,最大压降发生在故障后第一个波峰[8]。直流绕组感应较大的交流绕组电压，感应电压最大值达43 kV，需采取措施对直流电流侧进行保护。交流绕组电感值最大值可达43 mH，且最大值发生在故障后第一个波峰，电感值随时间逐渐衰减。交流绕组电抗最大值为16.2Ω，最大值发生在故障后第一个波峰，电感值随时间逐渐衰减，且以上均呈双工频周期变化[9-10]。

图12 SICSFCL线路电流波形（60 kA）Fig.12 Line current waveform(60 kA)

图13 SICSFC交流绕组电压波形（60 kA）Fig.13 ACwinding voltage waveform(60 kA)

图14 SICSFCL压降波形（60 kA）Fig.14 Voltage drop waveform(60 kA)

图15 SICSFCL电抗波形（60 kA）Fig.15 Reactance waveform(60 kA)

4 结论

通过以上仿真可以得以下结论：

1)稳态仿真得到的波形较为理想，与预期相符。两个交流绕阻电感、限流器的电抗和压降均呈现周期性变化；

2)故障下的仿真波形显示了限流器的工作特性，即：短路故障发生后，流过限流器的电流剧增，监控系统会立即感知故障并借助电力电子开关在几个毫秒之间切断直流励磁电流两个铁心会脱离深度饱和状态，故障电流在两个交流绕阻让将产生大的限流感应电势，以实现限流。另外由于这一过程中会有很短时间内电感值急速上升和下降，形成一个电感的尖峰波形，达到提升整体等效电抗的效果。此时直流绕组感应电压很高，应该会触动保护装置自动开断直流励磁。同时，失去直流励磁后其他两相的电磁环境较为复杂，应在限流器设计之初就予以考虑。

3)由于波形存在幅值过大的为收敛点和奇异点，显得波形粗糙。故在使用此分析模型和程序时，应尽量细化网格、缩短时间步长，并提高收敛精度。

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