面向高壓電網(wǎng)的經(jīng)濟型故障限流器的關鍵技術研究.pdf

1、隨著我國電網(wǎng)負荷密度的增大和總體容量的增長，短路電流超過斷路器遮斷水平已成為亟待解決的問題。研究性能優(yōu)良，經(jīng)濟性好的新型故障電流限制器(Fault Current Limiter)對我國電網(wǎng)建設和發(fā)展具有重要意義。而基于常規(guī)電氣設備的串聯(lián)諧振經(jīng)濟型故障限流器，不僅可把短路電流限制到較低水平，而且具有運行可靠性高、無需外加控制而實現(xiàn)自動投切和技術經(jīng)濟性能好等明顯優(yōu)點，可望在高壓電網(wǎng)中獲得推廣應用。
　　 為推進基于常規(guī)電氣設備的非

2、超導、非電力電子的經(jīng)濟型故障限流器的工程應用，本文對其在高壓電網(wǎng)應用時面臨的幾個關鍵技術問題開展系統(tǒng)的研究。研究內(nèi)容包含以下幾個方面:基于金屬氧化物限壓器(Metal Oxide Varistor)和快速開關的串聯(lián)諧振型故障限流器的研究，涉及到新型故障限流器的動態(tài)限流特性分析、實用拓撲改進和組件參數(shù)優(yōu)化等;故障限流器對斷路器瞬態(tài)恢復電壓特性的影響與分析;大容量金屬氧化物限壓器MOV通風冷卻結構設計與計算分析，涉及到MOV的通風冷卻結構的

3、優(yōu)化和溫度特性分析等;金屬氧化物限壓器流場與溫度場直接耦合數(shù)值計算研究;基于電磁斥力機構的高壓快速開關的仿真分析與研究，涉及到電磁斥力機構的有限元仿真分析和快速開關的測試試驗;以及故障限流器工程應用計算和參數(shù)設計等。
　　 在綜合分析現(xiàn)有各種串聯(lián)諧振型故障限流器拓撲的基礎上，提出一種基于MOV和快速開關的新型故障限流拓撲，通過計算比較加裝FCL前后短路故障電流的大小，表明該故障限流器拓撲限流效果顯著。以裝設于10kV系統(tǒng)為例，通

4、過電磁暫態(tài)分析程序仿真分析了其動態(tài)限流特性，并對各種影響故障限流器性能的因素進行了系統(tǒng)的研究，在此基礎上進行了故障限流器的實用拓撲改進和組件參數(shù)優(yōu)化設計，為10kV經(jīng)濟型故障限流器的工程應用和掛網(wǎng)運行提供理論依據(jù)。
　　 對基于MOV和快速開關的新型故障限流器進行拓撲組合，提出了一種復合型故障限流器，建立其等效分析模型。針對復合型故障限流器的不同運行模式、不同的安裝位置，給出了斷路器恢復電壓上升率與限流模式下的限流比、串補模式下

5、的串補度以及近區(qū)故障距離之間的數(shù)學表達式。系統(tǒng)研究了運行模式、安裝位置以及故障類型等因素對斷路器恢復電壓上升率的影響。研究結果為復合型故障限流器的參數(shù)優(yōu)化設計和斷路器開斷特性的選型，提供了分析基礎和理論依據(jù)。
　　 大容量金屬氧化物限壓器(MOV)作為故障限流器的關鍵組件，在系統(tǒng)短路故障時吸收短路能量而導致本體溫度瞬間升高，MOV的運行可靠性依賴于其通風冷卻結構的散熱能力，因此，合理優(yōu)化MOV通風冷卻結構具有重要的工程實際意義。

6、在前期大容量MOV結構設計和大量實驗研究基礎上，提出兩種通風冷卻結構優(yōu)化方案。根據(jù)計算流體動力學原理并應用有限體積法，對初設方案以及兩種優(yōu)化方案的MOV流場和溫度場進行了系統(tǒng)的計算分析。結果表明，相對于初設方案，方案一及方案二的經(jīng)過優(yōu)化的通風冷卻結構能使流體帶走更多的MOV內(nèi)產(chǎn)生的熱量，其最熱點溫度分別下降了約35℃和約40℃，MOV芯柱的散熱效果有了顯著的提高。方案二在方案一的結構基礎上，增加了徑向冷卻通風孔，其散熱效果明顯改善。在此

7、基礎上，對確定的優(yōu)化結構作了進一步的計算和實驗驗證，表明了所提出的MOV優(yōu)化結構的可行性以及所采用的溫度場計算方法的可靠性。
　　 在上述提出的金屬氧化物限壓器優(yōu)化設計方案二的基礎上，利用有限體積法，建立了用于MOV本體冷卻結構流場、溫度場直接耦合計算的三維模型，并建立簡化的驗證模型，得到了較為準確的MOV流場、溫度場計算結果，解決了由于散熱系數(shù)等耦合參量不能準確確定而導致的計算結果不精確的問題，驗證了仿真模型的正確性。在此基礎

8、上，對影響MOV溫度特性的主要因素進行了研究，分別就軸向通風道入口風速、徑向冷卻通道半徑、散熱金屬導電環(huán)材料以及導電環(huán)厚度對MOV溫度特性的影響進行了仿真分析。分析結果表明，在t＜300s時段內(nèi)，影響MOV冷卻的首要因素是金屬導電環(huán)的傳導散熱，加大入口風速對影響MOV的散熱效果并不明顯，增大冷卻通道半徑，反而消弱導電環(huán)的傳導散熱。在MOV芯柱高度和重量約束條件滿足的前提下加大導電環(huán)的厚度和選用熱導率大的金屬材質(zhì)，可以得到更好的散熱效果;

9、在t＞300s時段后，MOV冷卻結構起主導作用的是對流換熱，加大入口風速和增大冷卻通道半徑，可明顯增強MOV的冷卻效果。進而得出了一般性的MOV設計指導原則，為MOV本體冷卻結構優(yōu)化設計提供了理論依據(jù)。
　　 高壓快速開關是決定經(jīng)濟型故障限流器的限流性能和可靠性的關鍵技術之一，其快速分、合閘時間等性能參數(shù)直接影響到整個故障限流器的限流效果和運行安全。本文建立了用于電磁斥力機構瞬態(tài)分析的二維有限元模型和耦合電路模型，通過對改變電磁

10、斥力機構參數(shù)得到的不同仿真結果進行分析，得到了線圈匝數(shù)、銅盤厚度及半徑、電容的容量和電壓等參數(shù)對電磁斥力影響的規(guī)律，得出了針對電磁斥力機構一般性的設計指導原則。研制了基于電磁斥力機構的10kV高壓快速開關樣機，實測表明其分閘時間為4.8ms，合閘時間為16.2ms，滿足經(jīng)濟型故障限流器對快速開關的分、合閘速度要求。
　　 論文最后結合工程應用實例，開展了經(jīng)濟型故障限流器工程應用計算和參數(shù)設計研究，給出了具體的設計參數(shù)并進行了參數(shù)