三种改进型桥式超导故障限流器的仿真分析和比较

张涛 郭赢 姜晓东 咸文涛 谭启德

摘  要：文章分析比较了三种改进型桥式超导故障限流器（SFCL）的技术特点，介绍了三种改进型桥式SFCL的电路结构特点和工作原理，建立了10 kV配电网电路模型，针对配电网中出现的单相接地、两相接地、两相相间短路和三相接地等故障类型进行了仿真分析。仿真结果发现，不同的改进型SFCL在不同的故障类型中的限流效果不同。因此，在不同环境下易发的故障类型不同时选择合适的SFCL是必要的。

关键词：超导故障限流器;短路;桥式;10 kV配电网

中图分类号：TM774     文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）05-0088-04

Simulation Analysis and Comparison of Three Improved Bridge Type Superconducting Fault Current Limiters

ZHANG Tao， GUO Ying， JIANG Xiaodong， XIAN Wentao， TAN Qide

（Zibo Power Supply Company， State Grid Shandong Electric Power Company， Zibo  255100， China）

Abstract： This paper analyzes and compares the technical characteristics of three improved bridge type Superconductor Fault Current Limiters （SFCL）， and the circuit structure characteristics and working principle of the three kinds of improved bridge type SFCL are introduced and the 10kV distribution network circuit model is established. Simulation analysis is carried out for the single phase to ground fault， two phases to ground fault， phase to phase fault， three phases to ground fault and other fault types in the distribution network. The simulation results show that the current limiting effect of different improved SFCL is not similar in different fault types. Therefore， it is necessary to select the appropriate SFCL for the prone different fault types in different environments.

Keywords： SFCL; short circuit; bridge type; 10 kV distribution network

0  引  言

當前，电网的短路保护研究成为备受关注的前沿课题。传统的短路保护措施虽然可以限制电网的短路电流水平，但通常伴随着电网在其他方面性能的牺牲为代价[1]。桥式超导故障限流器在理论上具有正常运行时能量损耗低，对系统影响小，在故障发生时可立即限流，故障切除后快速恢复的优点。但普通型桥式SFCL只能限制短路故障电流的峰值，而不能限制短路故障电流的稳态值。近年来，随着电力电子技术的发展，已出现较多对桥式SFCL结构和性能的改进和提高的研究报道[2，3]。

本文介绍了三种较为典型的改进型桥式SFCL，阐述了其结构特点和工作原理[4]。为了对比这三种改进型桥式SFCL的限流能力，本文建立了10 kV配电网的电路模型，利用不同的故障类型对三种改进型桥式SFCL的限流性能进行了仿真分析和比较，给出了这三种改进型桥式SFCL的限流技术特点，为三种改进型桥式SFCL的选择与应用提供一定的指导[5，6]。

1  两种改进型桥式SFCL介绍

1.1  电阻投切型桥式SFCL

图1所示为电阻投切型桥式SFCL的电路原理图。相比于普通型桥式SFCL，电阻投切型桥式SFCL去掉了直流偏压源，接入一个限流电阻R和超导线圈L一起限制故障电流。使用控制开关K，可以灵活地实现限流电阻的接入与切除。

在线路未出现故障时，开关K处于闭合的状态，这时限流器的电路结构就相当于一个去掉直流偏压源的普通型桥式SFCL。此时Vd1—Vd4均导通，限流器对整个电路没有影响。当系统出现故障时，系统的电流要大于流过超导线圈的电流，这时VD1，VD2导通，VD3，VD4截止。超导线圈立即接入系统，故障电流的大小得到了限制。然后，开关K打开，电阻R接入系统与超导线圈L共同限制故障电流，增强了限流器的限流能力。随着故障的持续，超导电感L不断被磁化，当iL>i1时，iL经回路VD1、VD4、L、R和回路VD2、VD3、L、R流通，超导电感进入到去磁过程;当iL

1.2  双线圈反向并联型桥式SFCL

图2所示为双线圈反向并联型桥式SFCL的电路原理图，其主要是由两个反向并联的超导电感线圈构成，且两个超导电感线圈的电感值相等且耦合系数接近1。

系统在正常状态时，由于L1=L2且耦合系数k≈1，所以流过这两个超导电感线圈的电流所产生的磁通可以相互抵消，使总的磁通为零。此时限流器两端出现的电压非常小，对电路几乎没有影响。当线路出现短路故障时，由于两个超导电感线圈的临界电流大小不一样（可以假设L1的临界电流大于L2的临界电流），当iL2

2  10 kV配电网仿真模型

为了比较这三种改进型桥式SFCL的限流效果，本文建立了10 kV配电网的电路模型，对三种改进型桥式SFCL在各种短路故障类型中的限流情况进行仿真分析。安装改进型桥式SFCL后，配电网的单相等值电路如图3所示。其主要参数选取为：系统电压Us为10.5 kV（有效值），线路电感L为3.5 mH，线路电阻值R为0.3 Ω;负荷电阻值Rl为10 Ω;设定配电网在0.06秒时出现故障，在0.16秒时故障被切除。

根据上述选择的基本参数，用MATLAB软件对两种改进型桥式SFCL在10 kV配电网中的应用进行仿真研究，其仿真模型如图4所示。

三种改进型SFCL的具体参数选择：电阻投切型桥式SFCL参数：L=12 mH，R=12 Ω，故障发生后2 ms开关K断开;双线圈反向并联型桥式SFCL参数：L1=12 mH，L2=12 mH，R1=1 Ω，R2=12 Ω，假设故障发生后超导电感的内阻立即产生。

3  仿真结果与分析

3.1  单相接地故障

当发生单相接地故障时，以A相为例，电阻投切型桥式SFCL的限制电流峰值和稳态值大小分别为3.3 kA和4.01 kA，缩减率分别为74.7%和56.3%;双线圈反向并联型桥式SFCL的限制电流峰值和稳态值大小分别为3.38 kA和4.22 kA，缩减率分别为74.0%和54.0%;混合型桥式SFCL的限制电流峰值和稳态值大小分别为4.41 kA和6.27 kA，缩减率分别为66.2%和31.7%。单相接地故障类型下，三种改进型桥式SFCL的限流数据比较如表1所示。可以看出，电阻投切型桥式SFCL限流效果较好。

3.2  两相接地故障

当发生两相接地故障时，以A、B两相为例，表2所示为A相和B相故障电流的限流参数比较。通过比较，可以看出在两相接地故障类型下双线圈反向并联型桥式SFCL的限流效果较好。

3.3  两相相间短路故障

当发生两相相间短路故障时，以A、B两相为例，未安装限流器时，A相故障电流峰值和稳态值大小为9.26 kA和6.8 kA，B相故障电流的峰值和稳态值大小分别为8.55 kA和6.04 kA。安装混合型桥式SFCL后，A相故障电流的峰值和稳态值大小分别限制为2.42 kA和2.99 kA，B相故障电流的峰值和稳态值大小分别限制为1.89 kA和2.51 kA。三种改进型桥式SFCL的限流仿真数据比较如表3所示。可以看出，在两相相间短路故障时混合型桥式SFCL较其他两种改进型限流器的限流效果要好一些。

3.4  三相接地故障

当配电网发生三相接地故障时，未安装限流器的故障电流，峰值大小分别为10.6 kA、8.88 kA和8.95 kA，稳态值大小基本相等。安装电阻投切型桥式SFCL后，A相、B相和C相的故障电流的峰值大小分别限制为2.56 kA、2.13 kA和2.64 kA，稳态值大小也基本相等为3.06 kA。三种改进型桥式SFCL限流仿真的具体数据比较如表4所示。可以看出，在三相接地故障时电阻投切型桥式SFCL的限流效果要好一些。

4  结  論

本文通过利用10 kV配电网常见的四种短路故障类型，对三种改进型桥式SFCL的限流性能进行了仿真研究。可以发现，三种改进型桥式SFCL都具有较好的限流效果，且对于不同的故障类型，三种改进型桥式SFCL的限流效果不同。其中，电阻投切型桥式SFCL对单相接地故障和三相接地故障的限流效果较好，双线圈反向并联型桥式SFCL对两相接地故障的限流效果较好，而混合型桥式SFCL对两相相间短路故障的限流效果较好。

参考文献：

[1] 王俊波，罗容波，李雷，等.高压电力变压器雷击跳闸故障危害预测及抑制方法 [J]，电瓷避雷器，2015（4）：123-127+132.

[2] 李浪.面向直流配电系统的新型固态故障限流器设计 [J].电网与清洁能源，2016，32（3）：87-91.

[3] 陈倩，汤奕.江苏特高压建设时期短路电流限制措施 [J].江苏电机工程，2015，34（5）：21-24.

[4] 黎鹏，崔健，付杰.架空输电线任一点不对称短路时OPGW线路电流的分布研究 [J].华北电力大学学报（自然科学版），2014，41（4）：56-60.

[5] 赵铁英，刘俊领.不同接入方式下限流电抗器参数计算方法研究 [J].电力科学与工程，2015，31（3）：40-45.

[6] 涂春鸣，邓树，郭成，等.新型多功能固态限流器对0˚接线方式的影响及其解决办法[J].电力系统保护与控制，2015，43（4）：81-86.

作者简介：张涛（1993—），男，汉族，山东淄博人，工程师，硕士研究生，研究方向：超导电感储能技术。