33基于Ansoft的220kVSICSFCL建模仿真.docx

基于有限元方法的220KV/800A SICSFCL建模仿真分析王龙，张明，宋萌，胡南南，曹昆南摘要：超导限流器作为非线性元件短路电流限制器，具有体积小、重量轻、损耗小的特点。饱和铁心型超导限流器（Saturated Iron Core Superconductive Fault Current Limiter--SICSFCL）作为超导限流器中技术比较成熟，可适用于高压电网的限流器必将得到广泛应用，本文通过对SICSFCL工作原理分析，运用Ansoft软件搭建220KV/800A型号的SICSFCL，分析其不同外部短路电流下工作特性。表明SICSFCL对于高220KV电网短路电流具有良好的限制作用，可满足电网中电气设备的安全可靠运行要求。关键词：SICSFCL Ansoft 短路电流 谐波 高压电网1.前言目前，随着电网规模的迅速扩大，电网结构日益复杂，系统装机总容量越来越大，系统等值阻抗却越来越小，从而造成电网的短路电流值越来越大。在电力负荷中心以及电源汇集点等出现了短路电流远远超过断路器遮断容量的情况。超导限流器还是一种新的电力产品，但是超导限流器作为一种新的电力设备，在电网应用经验基本没有。超导限流器安装在什么样的位置比较合理，将会对电网保护、稳定、过电压水平产生什么样的影响等，这些问题需要进行深入的研究。限流器对电网最直接的作用是限制系统短路电流水平，另外对于其它方面也具有重要的意义，主要体现在可提高电力系统动、热稳定性。由于可以限制短路电流值，可以减少系统电抗值，从而提高电力系统静稳定性，提高供电质量，以及降低某些设备的造价。可解决因短路电流过大而无法联网问题，增加电网运行的可靠性、经济性和灵活性。可降低设备的设计要求，便于选择轻型设备。在电网出现短路故障时，可减少电压降低的影响范围，提高供电可靠性。由于无机械部分，动作快。还能协助控制系统中的潮流分布，并能隔离局域电力系统、缩小故障波及范围。SICSFCL正常输电时对电网无不利影响，在电网短路故障发生后，流过限流器电流剧增，超导限流器在极短时间内通过改变限流阻抗。因此导限流器是一种较为理想的限制短路电流的手段。本文针对SICSFCL应用研究问题开展相关工作，推进超导限流器在电网中的应用，为电网安全、稳定运行提供基础。SICSFCL可自行迅速检测出短路电流的存在，立即触发限流动作，整个限流过程可在数毫秒内完成；短路电流消失后可快速恢复超导状态，满足电网重合闸的要求。本文通过利用Ansoft Maxwell软件电磁暂态仿真，建立超导限流器详细、准确的电磁暂态模型，针对对超导限流器在各种情况下的过电压水平进行论证和分析。本文基于有限元分析方法对220KV/800A SICSFCL的限流性能的电磁仿真分析，为验证其性能，开展进一步设计和样机制造打下了良好基础，本仿真取得了良好效果。2铁芯饱和型超导限流器工作原理理想的故障限流器应具有如下特征：在220kV电力系统正常运行时，限流器个电量参数稳定且阻抗几乎为零；当电网发生短路故障时，其应在毫秒级的时间段内立即转变为大阻抗来限制短路电流，故障切除后应立即返回稳定运行的状态；其还应能起到短期内能够承受多次故障电流的冲击等（考虑短时间内冲击和自动重合闸装置动作）。而常规的高压开关、高阻抗变压器、电熔丝、空心电抗器等均不能完全满足这些要求。尤其是饱和铁芯型超导故障限流器以其低损耗、动作迅速、恢复时间短等特点受到电力界的重视，1982年，英国人Raju提出了饱和铁芯型超导限流器原理，并制造了一个单相原理验证样机。其结构如图1示：图1 单项饱和铁芯型超导限流器（SICSFCL）的原理图该SICSFCL由一对铁心组成，每个铁心上均有一个交流铜绕组和一个直流超导绕组，一个铁心上的交流铜绕组和直流绕组绕向相同，另一个铁心上的方向相反。系统正常运行时，直流超导绕组通过较大直流产生很强的直流磁场使铁心深度饱和，装置呈现较低阻抗。系统发生短路故障后，交流短路电流使得两个铁心在一个周期内交替退出饱和，装置呈现出高阻抗从而实现限流。通过磁链-电流曲线来建模表征SICSFCL的非线性特性，如图2所示。折线1表示无直流励磁(Idc)时单个铁芯的ψ-i曲线；折线2和3分别表示通以直流励磁时两个铁芯的ψ-i曲线；折线4是该限流器对外表现的磁化情况，由2、3折线叠加而成。另外，ψs和Is表示铁芯的饱和磁链和饱和电流。由图2可以看出，可以用三段不同斜率的曲线来模拟限流器处于不同状态下的对外阻抗值。于是可以用图3所示的电路来表示限流器等值电路。图2 饱和铁芯型故障限流器的Ψ-i曲线 图3 SICSFCL等值电路模型3.SICSFCL电磁模型建立3.1场路耦合分析方法 场路耦合方法是多物理场耦合分析方法的一种，在本项目中具体表现为电磁场与外电路的耦合，为了使瞬态非线