不同故障下高温超导电缆的失超分析

分析了高温超导电缆的结构,建立了高温超导电缆的数学模型,利用PSCAD/EMTDC平台搭建了超导电缆的仿真模型,借助MATLAB软件计算了超导电缆在不同故障下的电流、阻值和温度的瞬时变化情况。分析了超导电缆在发生单相接地、两相短路及三相短路故障情况下导体层的电流、阻值和温度的变化过程。     

高温超导带材的故障电流冲击模型

提出了一种高温超导带材的故障电流冲击模型的建立方法,该方法以超导带材的数学模型为基础,用可变电阻模拟带材的阻值变化情况;搭建了带材的电路模型,编写了电阻值的计算程序,将PSCAD/EMTDC和MATLAB通过接口程序连接到一起进行联合仿真;得到了大电流下,高温超导带材失超过程中的电流、电压及温度的波形图,并对其进行了分析。对超导带材进行了交流测量实验,并将实验得到的波形和仿真波形进行了对比和分析。     

低温绝缘的高温超导电缆失超检测研究

高温超导电缆在电力系统中运行是发展趋势,若超导电缆本身故障或电力系统故障时都会对其产生重要影响。文中在理论分析低温绝缘的高温超导电缆在短路故障情况下屏蔽层电流与导体层电流相位、幅值的关系基础上,提出了针对低温绝的缘高温超导电缆的失超检测新方法——基于幅值差值检测和相位差值变化率检测,并通过仿真软件PSCAD/EMTDC分析了电力系统发生各种短路故障时高温超导电缆的失超特性,从而验证了这两种检测方法的可行性。     

110kV冷绝缘高温超导电缆在故障电流下的温度计算与分析

研究了110kV冷绝缘高温超导电缆失超时,故障电流的分流情况,并以此为依据,建立了电缆在故障电流下失超时,温升与时间关系的计算模型;通过MATLAB对计算模型进行了求解,并对求解结果进行了分析;计算出了电缆在不同故障电流下,温度上升到不同值所需要的时间,进一步明确了故障电流的大小对电缆温升的影响。     

多层导体超导电缆的交流输电特性

在完成设计和制造我国第一组并网运行的超导电缆系统的工作中,我们对不同结构的超导电缆短样样品的交流载流特性进行了系统的研究,内容包括层电流均流特性、电缆失超特性、失超恢复特性、电缆载流能力和抗短路冲击能力等.结果表明,对多层螺旋导体结构的超导电缆,影响其输运电流在各导体层分布的主要因素是邻近效应.由于其零电阻特性,在相同的结构中,超导体表现出比常规导体大得多的临近效应.显著的邻近效应使多层导体结构的超导电缆的均流问题变得更加复杂.此类超导电缆有很强的抗短路电流冲击能力,能够承受高于额定电流20倍以上的短路电流,并且有很好的超导性能恢复能力.由于交流超导电缆的电压与电流相位差对电阻的变化非常敏感,所以可以被用作判断失超的预警参数用来避免热溃式失超的发生.     

多层导体超导电缆的交流输电特性

在完成设计和制造我国第一组并网运行的超导电缆系统的工作中，我们对不同结构的超导电缆短样样品的交流载流特性进行了系统的研究，内容包括层电流均流特性、电缆失超特性、失超恢复特性、电缆载流能力和抗短路冲击能力等．结果表明，对多层螺旋导体结构的超导电缆，影响其输运电流在各导体层分布的主要因素是邻近效应．由于其零电阻特性，在相同的结构中，超导体表现出比常规导体大得多的临近效应．显著的邻近效应使多层导体结构的超导电缆的均流问题变得更加复杂．此类超导电缆有很强的抗短路电流冲击能力，能够承受高于额定电流20倍以上的短路电流，并且有很好的超导性能恢复能力．由于交流超导电缆的电压与电流相位差对电阻的变化非常敏感，所以可以被用作判断失超的预警参数用来避免热溃式失超的发生．     

过电流状态下超导直流电缆温度分布与电流分布

针对处于过电流状态的单液氮流道超导直流电缆和双液氮流道超导直流电缆,在MATLAB中建立超导电缆在过电流状态下的YBCO层、金属层和铜骨架的并联电阻模型。同时在COMSOL中建立固体传热模型,通过程序调用实现COMSOL和MATLAB的联合仿真,计算出电流分布和温度分布。在COMSOL中建立流固共轭传热模型,利用联合仿真的数据计算两种结构的电缆在不同电流下的温度分布,并分析铜骨架半径和液氮流速对电缆温度分布的影响。     

智能电网超导装备的电磁设计与暂态特性分析

基于第二代高温超导材料的超导变压器和超导电缆作为智能电网超导设备,可以灵活应对电力系统发生短路故障等暂态环境,保证电网稳定运行。针对31.5 MVA,110 kV/10.5 kV的超导变压器和10.5 kV/1.85 kA的三相同轴电缆的联合运行开展电磁设计和暂态特性分析,提出了超导设备的结构参数和电气参数,建立了基于MATLAB和PSCAD/EMTDC包含可变电阻、损耗和电抗的仿真模型,仿真结果显示,超导变压器具有限流功能,配合超导电缆运行,超导电缆的出口短路电流降低了21%,大幅降低超导电缆的出口短路电流和故障中的产热,对于线路制冷系统和后续恢复具有重要意义。     

HTS交流电缆导体层电流的测试

在完成30m,三相,35kV/2kA高温超导(HTS)交流电缆系统的研制过程中,为了优化电缆导体结构设计,需要测量导体层电流分布.为此,我们探索了一套测量导体层电流分布的方法,该方法基本原理是利用自己绕制的Rogowski 线圈,耦合层电流产生的磁场,来测量每层导体所流过的电流值.为了验证该方法的可行性,我们研制了一套测量装置,利用这套装置对3m,6层HTS交流电缆模型进行了测量,测量结果表明这种测量方法和测量装置是行之有效的.     

10kV三相同轴高温超导电缆暂态电热特性分析

三相同轴高温超导电缆会受到电力系统中短路故障电流冲击,产生大量热,并可能被损坏。通过采用超导电缆各层的电流分布解析算法和温度分布数值计算法,构建了电缆仿真分析模型,包含电路模型、热模型和电热耦合模型。对10 kV/1.5 kA三相同轴高温超导电缆在20 kA,持续0.21 s故障电流冲击时的电流、电阻和温度分布进行计算。结果表明,在故障时间内,伴随着温度的上升,电缆各相等效电阻逐渐上升和电流逐渐下降。电缆三相同时短路时超导层的温度上升最大,温度最高可达131.1 K。电缆单相或两相短路时通过中性线的电流最大。分析结果为电缆的参数优化和保护运行系统的装置设计提供了参考依据。     

串联超导单元失超特性改善方法的仿真研究(英文)

为承受高电压与高电流等级,电阻型超导限流器的各个无感超导单元间不可避免地要进行串并联,由此会带来单元间失超不同步的问题.本文以单根344S超导带材在100ms的故障时间内,带材温度由92K升至300K时,失超电阻随温度的变化为基础,对两者间的关系进行了拟合.之后,以拟合函数为核心,利用Simulink的库中元件构建了单位长度344S带材的失超电阻模型并将其封装为模块.最后,搭建仿真电路模拟了故障时间内两个串联失超模块不同步失超的过程,仿真了分流电阻对失超不同步的改善并对分流电阻的选取进行了优化分析.结论证实,较小阻值的分流电阻更有利于改善失超特性.     

基于衰减振荡信号特征参数和伪阻抗的电路参数计算方法

本文研究了基于暂态信号中衰减振荡信号的电路参数计算理论和方法.在电力系统线路发生故障时,通过计算暂态信号流通路径电路参数可确定故障位置、推断故障原因,而衰减振荡信号作为暂态信号主要成分,因此分析基于衰减振荡信号的电路参数计算在电力系统故障定位中有重要理论价值和实际工程意义.结合R-L电路和R-C电路,首先推导了时域衰减振荡电压、电流信号特征参数与各元件参数以及电路参数间定量关系;并分析了电路在衰减振荡信号下阻抗特性,结合稳态正弦分量阻抗概念,将电路流经衰减振荡信号时的阻抗特性定义为伪阻抗,并确定了伪阻抗与电路参数和信号特征参数间的关系;同时分析了串并联条件下伪阻抗与元件参数关系.以此为基础分别提出了基于信号特征参数和基于伪阻抗的电路参数计算理论,结合现有衰减振荡信号特征提取方法,提出具体计算方法,为基于衰减振荡信号的电路参数计算理论发展以及实际工程应用奠定了重要基础.通过MATLAB模拟产生故障信号对所提理论和方法进行验证,结果证明了所提理论和方法的正确性和准确性,并以实际电网故障信息为基础,基于PSCAD/EMTDC建立实际配网模型并对实际单相接地故障进行重现,对配网单相接地故障进行定位分析,结果证明了方法的可行性.     

Heat propagation and stability in a small high Tc superconductor coil

Using a Bi-based small high T_c superconductor (HTSC) coil, we have studied its stability against a local disturbance and current-induced quench in the helium gas cooling condition. While the stability margin of HTSC coil against a local disturbance was very large, quench current was limited by a catastrophic temperature rise which originated from the nonlinear characteristic of the Joule heating. The crucial parameter for the quench becomes the nonlinear resistance in HTSC as a function of temperature and transport current. It has been shown that the dynamic characteristics of the quench can be described quantitatively by the simplified one-dimensional heat balance equation.     

一种新型直流混合型HTSCFCL的研究

在研究混合型高温超导限流器和失超桥式整流型高温超导限流器原理的基础上,提出了一种新型单相混合型高温超导限流器,利用MATLAB进行仿真研究,结果表明该限流器设计参数准确,限流效果明显.新型直流混合型HTSCFCL的研究对限制短路电流和提高系统稳定运行具有十分重要的意义.     

电力故障运行下磁偏置超导限流器超导限流单元的电-热特性分析与验证

本文的磁偏置高温超导故障限流器(SFCL)是一种新型超导限流器,在系统出现短路故障时,发生失超现象,产生高阻抗限制短路电流,达到一定时间后断开超导单元,再由双分裂电抗器二次限流.当短路电流消失后,自动快速恢复到无阻特性,然后重新合闸投入系统运行.在SFCL并网运行前,要对并网运行中出现相间短路等故障的暂态运行特性进行分析,了解并网运行时的状况.本文利用Matlab/Simulink构建了SFCL的仿真分析模型,包含超导限流单元的等效电路模型和热模型.该模型被接入一个由Matlab/Simulink构建的10kV电力系统模型中,用来仿真SFCL的并网运行特性.仿真结果表明了SFCL在并网运行中的效果,以及相间短路故障下失超电阻、通过电流和超导限流单元温度的变化.同时,在中国国网辽宁电力虎石台对SFCL进行了并网运行试验,得到了相间短路故障下的暂态运行特性和失超恢复时间.本文的仿真分析和试验结果,证明了该SFCL样机具备10kV 并网能力,以及快速响应、逐级限流和快速恢复能力     

基于动态阻抗模型的磁控式持续电流开关

本文研究了高温超导闭合线圈的重要励磁方式——持续电流开关(persistent current switch).高温超导闭合线圈在各种场合中被广泛地应用和研究.为了使高温超导线圈能够工作在持续电流模式(persistent current mode)下,需要持续电流开关利用超导体在超导状态和电阻状态之间的转换来实现开关状态的切换,而磁控式持续电流开关具有响应速度快、励磁效率较高等优点,因而在闭合超导线圈的励磁中具有广阔应用前景.本文提出一种基于动态阻抗模型的磁控式持续电流开关,将动态阻抗以及磁控式持续电流开关的理论研究与探究实验相结合,深入分析磁控式持续电流开关应用于线圈励磁的影响因素,从而实现动态阻抗的灵活设计以及闭合线圈励磁性能的改善.     

一维热传播模型下高温超导带的失超特性研究

对Bi-2223/Ag高温超导带材的失超传播特性进行了研究。测量了Bi-2223/Ag带材在有绝缘材料包裹和液氮浸泡环境下的电压变化曲线,同时利用一维热流方程模型,模拟出超导体失超传播过程中由超导态过渡到正常态的温度变化行为,同时还对传输电流和触发能量对失超传播速度的影响进行了实验研究。这些工作对高温超导磁体及电力系统的应用有着重要的参考价值。     

Electromagnetic viewpoints on a 200 kW MgB2 induction heater

In this paper an electromagnetic system for a 200 kW MgB₂ induction heater was designed to verify the feasibility of MgB₂ superconductor in a DC induction heating system. The final master plan connects the electromagnetic design to the cryogenic and mechanical designs including the required measurement system. The electromagnetic design consists of conductor development, dimensioning the superconducting magnets and the quench protection system analysis. The coil system must guarantee appropriate heating distribution in the aluminium billet. The conductor has to fulfill the requirements of the current carrying capability required by the coil design. Furthermore, the conductor layout and constituent materials affect greatly to the coil stability in fault conditions. The coil behaviour during a fault was studied by quench simulations. The protection system design was based on the results of the quench analysis.     

饱和铁心型超导限流器

饱和铁心型超导限流器具有限流功能可靠、输电稳态损耗小、限流恢复时间短等优异特性。根据其工作原理,一方面,用于直流励磁的超导绕组自身不承受短路电流冲击,这避免了其它类型超导限流器中由于超导绕组失超所带来的诸多技术难题;另一方面,其主体电抗器可以借鉴成熟的铁心电抗器技术。因此,饱和铁心型超导限流器的以其优异的性能特性和成熟的工程实现技术,成为迄今为止人们研究的各类超导限流器中的最具实用价值的一种。在电网容量不断扩大,智能化水平不断提高的今天,饱和铁心型超导限流器有非常广阔的应用前景。文中将叙述饱和铁心型超导限流器的基本原理、结构形式、功能特性,并对已在云南普吉变电站挂网运行的35kV/90MVA超导限流器进行简要介绍。