- 頭條什么是飽和鐵心型超導限流器？它在直流系統中的應用情況怎樣？2021-12-23 作者：譚翔宇 任麗 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語飽和鐵心型超導限流器是一種新型故障限流裝置，在處理電力系統短路故障方面具有廣闊應用前景。該限流器利用鐵心的飽和特性，具有響應速度快、限流過程不失超等優點。但是，目前對于飽和鐵心型超導限流器的研究主要集中在交流系統，對其在柔性直流輸電系統中的應用效果及限流特性的研究較少。強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學）的研究人員譚翔宇、任麗、唐躍進、石晶、徐穎，在2020年《電工技術學報》增刊2上撰文，分析了飽和鐵心型超導限流器在柔直系統中的限流機理，研究了限流器在基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電系統中的限流特性。
近年來，我國大力發展柔性直流輸電技術（Voltage Source Converter Based High Voltage Direct Current, VSC-HVDC），已相繼建成南澳、舟山、張北等多個柔性直流電網示范工程。但是，無論換流閥采用兩電平VSC結構，還是采用模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter, MMC）結構，其直流短路故障發展快、危害大、切除困難依然是限制柔直技術發展的瓶頸之一。
采用故障限流器對短路電流進行限制，降低短路故障對系統的沖擊，再由直流斷路器完全吸收短路電流并隔離故障線路，是最為直接的解決方法。
超導限流器是目前常用的故障限流裝置，按照不同的限流原理及拓撲結構，超導限流器可分為電阻型、飽和鐵心型、橋路型、磁屏蔽型、混合型等。其中，飽和鐵心型超導限流器（Saturated Iron-Core Superconducting Fault Current Limiter，SI-SFCL）以電感鐵心為主要限流元件，通過超導線圈提供勵磁，使得鐵心在系統正常時處于深度飽和狀態，對外阻抗很低，而在故障下鐵心退出飽和，產生較大的限流阻抗。
得益于超導材料的零電阻特性，限流器的運行損耗可以大大降低。此外，這種限流器結構可以使超導線圈不直接承受短路故障電流的沖擊，在整個限流過程中不發生失超，降低了超導線圈設計難度，也加快了故障限流器的恢復速度。
飽和鐵心型超導限流器首先應用在交流系統中，國內外已經進行了大量研究，且已有多個限流器樣機掛網運行。但是針對飽和鐵心型超導限流器在直流系統中的應用，目前的研究仍處于起步階段。
在直流系統中應用飽和鐵心型超導限流器有許多問題需要解決。一方面，飽和鐵心型超導限流器是通過在系統中投入電感分量來實現限流的，電感分量在交流系統中可以提供持續穩定的阻抗值，而在直流系統中的阻抗值會隨著電流變化率而變化，隨著短路故障的發展，其限流效果也會變得不穩定。另一方面，飽和鐵心型超導限流器的限流作用依賴于鐵心的飽和狀態，需要對鐵心飽和度進行良好設計，盡可能提高鐵心的利用率，從而提高飽和鐵心型超導限流器的限流能力。
針對以上問題，華中科技大學的研究人員對飽和鐵心型超導限流器在柔直系統中的限流特性進行了研究。
圖1 飽和鐵心型超導限流器基本拓撲結
研究人員指出，飽和鐵心型超導限流器在直流系統中的限流特性與交流系統存在區別，因此兩種系統中飽和鐵心型超導限流器的拓撲結構也略有不同。用于柔直系統的飽和鐵心型超導限流器基本結構如圖1所示，由鐵心、一次繞組、二次繞組和二極管橋路組成。
其中，鐵心是整個限流器的核心，其飽和程度將影響限流器整體的阻抗特性。N1、N2分別為一次繞組和二次繞組匝數，I1、I2為一次繞組與二次繞組上的電流。一次繞組與二次繞組所產生的磁場方向相反，相互抵消。一次繞組為普通的銅繞組，經過二極管橋路與柔直系統連接。二次繞組為勵磁繞組，與恒流源連接，采用超導材料繞制，可以有效降低通態損耗。
二極管橋路起無控整流作用，在柔直系統中，短路電流IDC的方向有可能為正向，也有可能為反向。而增加二極管橋路后，無論IDC的方向如何，流過一次繞組的電流I1流向都是固定的，保證了一次繞組產生的磁場可與二次繞組磁場相互抵消。
研究人員通過分析指出，飽和鐵心型超導限流器對柔直系統短路電流峰值具有很強的限制效果，但是對穩態短路電流幾乎沒有作用。在MMC-HVDC系統中，飽和鐵心型超導限流器只在子模塊閉鎖前具有較大的等效阻抗，閉鎖后的阻抗值會逐漸下降至零。
直流勵磁電流大小對飽和鐵心型超導限流器的限流效果具有很大的影響。在MMC-HVDC中，由于飽和鐵心型超導限流器的限流作用主要集中在子模塊閉鎖前，因此應選取合適的直流勵磁電流值，使得鐵心達到反向飽和的時間與子模塊閉鎖時間比較接近，這樣在閉鎖前飽和鐵心型超導限流器的鐵心一直處于磁化曲線線性段，從而實現限流能力的最大化。
以上研究成果發表在2020年《電工技術學報》增刊2上，論文標題為“飽和鐵心型超導限流器在柔直系統中的限流特性研究”，作者為譚翔宇、任麗 等。
