超导限流式直流断路器布局结构设计

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超导限流式直流断路器布局结构设计

来源: | 作者:佚名 | 发布时间: 2021-03-03 | 119 次浏览 | 分享到:

　　西安高压电器研究院有限责任公司曹蕤高文李龙严旭申春红

　　1 引言

　　高压直流技术作为一种提高输电容量、降低能耗的先进电力输送方式，正越来越受到人们的重视。具有优越经济性和灵活性的多端直流输电系统已成为了电网发展关注的焦点[1,2]。直流开断技术是制约我国多端直流输电技术发展的瓶颈[3]。目前电网容量不断增加，直流系统的短路电流水平也在不断增大，利用限流器先限流再开断的直流断路器具有开断容量大，故障时能保护其他功率器件的优势，具有很好的前景。在众多类型限流器中，超导限流可集检测、转换和限流于一身，限流速度极快并且具有优异的限制大短路电流的能力[4]。因此，研制一种基于超导限流技术的高压直流断路器对于直流断路器发展具有重要意义。

　　利用限流器先限流再开断是当今直流开断技术的热门研究方向之一，其与目前限流技术的快速发展密切相关。限流器是串接在线路中实现限制短路电流功能的电气设备，电力系统正常运行时，其呈现低阻抗，压降小[5]，且具有较高的稳态稳定性和暂态稳定性，几乎不影响电力系统的正常运行；发生短路故障时，其表现为足够高的阻抗以限制短路电流在合理的范围内，使故障和非故障元件受到较小的热动力和机械应力，确保设备的安全。

　　本文在超导限流式的直流断路器研究的基础上，提出一种适用于超导限流式的直流断路器的布局结构，为未来采用超导限流技术的直流断路器工程化设计建立基础。

　　2 超导限流式直流断路器开断原理及技术路线

　　2.1 限流及开断原理

　　超导限流式直流断路器利用高温超导体快速限流特性且损耗低、传输容量大的特点，以及自激振荡电路高频振荡可以使电流“人工过零”的原理，对直流系统运行故障时所产生的短路大电流进行开断。

　　超导体在其临界温度、临界磁场和临界电流密度以下，具有零电阻特性[6]。当温度、磁场和电流密度3个物理量中任何一个超过其临界值，超导体立即失超。超导限流技术正是利用超导体的超导态/正常态的转变来达到限流的目的[7]。一旦电网发生短路，短路电流大于临界电流时，超导体“失超”，由零阻抗表现为非线性高电阻，从而限制了短路电流[8]。超导带材限流特性曲线。与此同时，随着技术发展，目前市售主流超导带材在失超时可承受故障电流冲击时间在100ms，超导带材耐受故障电流的特性使得超导限流技术用于直流开断成为可能。

　　超导型故障限流器有多种结构，其中用于直流系统主要为电阻型和电抗器型两种超导限流器。电阻型超导限流器由具有较低交流损耗的极细超导电缆无感绕制的高温超导线圈及并联的普通限流线圈组成[9]。正常运行时，线路电流全部通过处于超导态的高温超导线圈，一旦发生短路故障，高温超导线圈承受的电流超过其临界电流而出现高阻态，电流分流到普通限流线圈中去，从而限制了故障短路电流；电抗器型超导限流器，其类型主要有电感型、桥路型等，工作原理与电阻型超导限流器大致相同，其缺点是低温时通过大电流，损耗较大。

　　直流系统短路故障电流经由超导限流器进行限流后进入开断装置，开断装置在进行直流电流开断时，利用分闸时所产生电弧的不稳定性以及动态负阻特性[10]，在开关断口与L-C支路构成的环路中激起高频振荡电流，该振荡电流与开关断口的直流电流相叠加，形成电流过零点[11-14]，从而使断路器完成电流开断功能。自激振荡回路开断电流仿真波形图见图2，超导限流式直流断路器的电气原理图见图3。

　　经仿真计算，在进行开断时超导限流器的恢复时间一般为几百毫秒，开断装置的恢复时间一般由避雷器决定，根据系统要求的不同，避雷器的参数也有差异，通常其恢复时间一般为几秒至数十秒。因此，超导限流式直流断路器的恢复时间通常取决于内部避雷器的自恢复能力，满足目前直流系统对于二次开断的需求。

　　由于超导体对于短路电流优异的限流特性（将几十千安降至几千安），超导限流式直流断路器运用于直流系统时，只需根据系统额定电压及额定电流条件对超导带材进行选型，后续开断断路器则根据系统运行电压及限流后电流进行设计。因此，超导限流式直流断路器理论上可适用于多个电压等级直流输电系统（可适用电压等级10kV～320kV；额定电流500A～2kA；预期开断短路电流能力20kA～100kA），其简单的开断拓扑结构及宽电流开断能力具有良好的工程应用前景。

　　2.2 技术路线

　　本文在目前超导限流式直流断路器研究基础上，对超导限流式直流断路器应用布局进行设计及研究，采用模块化设计方法，对直流断路器进行功能化配置及隔离。同时，对直流断路器各模块元件进行选型配置。运用仿真结合直流系统实际应用情况确定超导限流式断路器绝缘平台的设计方案。最终，按照绝缘配合相关要求对直流断路器各模块绝缘平台上元件位置进行配置，从而完成符合工程要求的超导限流式直流断路器设计。

　　3 布局结构研究与设计

　　3.1模块化设计方案

　　本文超导限流式直流断路器布局结构采用模块化设计及布置方式，包括超导限流模块、电流开断模块、绝缘平台模块。在系统进线端，按照超导限流模块、电流开断模块的顺序放置，并通过电气串联连接接入系统回路；超导限流模块整体与电流开断模块的整体或部分通过机械连接方式安装于绝缘平台模块之上，继而保证整个直流断路器的绝缘水平。超导限流式直流断路器模块化布局示意图见图4。

　　按照模块化方式进行结构参数设计时，可根据图4所示3个模块分别进行单独设计，由系统的额定电流及短路电流要求水平，计算超导限流模块1中限流电阻及超导带材长度，并以此确定杜瓦的设计参数。根据系统限流后开断电流及系统电压水平完成对电流开断模块即模块2的交流断路器、电容器、电抗器及避雷器的相应参数选定，根据系统及超导限流模块即模块1与电流开断模块即模块2的绝缘具体要求分别确定对应的绝缘平台参数，继而完成绝缘平台模块即模块3的设计。

　　采用模块化设计可并行进行超导限流式直流断路器部件的选型，大大缩短选型设计时间[15]；该布局结构设计可满足用户的多样性需求，易于产品的配置和变型设计，又能保证这种配置变型可以满足企业批量化生产的需求。

　　3.2超导限流式直流断路器布局结构设计

　　基于超导限流技术的直流断路器布局结构示意图如图5所示。图（5）中：1为支撑立柱；2为斜拉杆；3为第1支柱绝缘子；4为安装底盘；5为第2支柱绝缘子；6为限流电阻；7为超导带材；8为杜瓦；9为电气联接板；10为电容器；11为电抗器；12为第3支柱绝缘子；13为避雷器；14为交流断路器。其中，超导带材、杜瓦、限流电阻组成超导限流模块；交流断路器、电容器、电抗器及避雷器组成电流开断模块；支撑立柱、斜拉杆、第1支柱绝缘子、安装底盘及电气联接板共同构成绝缘平台模块以满足超导限流模块与电流开断模块的绝缘需求。直流断路器的超导限流模块与电流开断模块除断路器外元件分别安装在相互独立的绝缘平台支架上，便于工程安装时按照实际安装条件进行调整。

　　安装底盘通过第1支柱绝缘子设置于支撑立柱上，支撑立柱、第1支柱绝缘子、安装底盘依次顺序连接，组成具有对地绝缘耐受能力的安装平台，其中两相邻支撑立柱通过斜拉杆连接。第1支柱绝缘子满足直流系统对爬电距离和干弧距离的要求，且直流断路器中超导限流模块与电流开断模块所对应绝缘平台的对地绝缘支撑设计为与同等高度。该技术方案可以确保高电压等级直流断路器中超导限流模块及电流开断模块的对地绝缘距离和绝缘耐受水平。

　　超导限流模块内，超导带材完全封闭于杜瓦中，并与限流电阻并联通过超导限流模块安装平台部分的第2支柱绝缘子固定在安装底盘上，杜瓦由非导磁不锈钢或耐低温非金属材料构成，其内外壁之间填充制冷剂，由于超导带材失超后将在液氮中产生气泡，这种情况不利于绝缘。因此，杜瓦在设计时通常考虑罐体承受高气压及罐体内部或周围安装低温冷却装置，通过在运行中加压与更低的运行温度确保杜瓦内液氮在失超时也不会达到气化温度，从而抑制气泡的产生。超导带材和限流电阻通过第2支柱绝缘子在超导限流模块安装平台部分的安装底盘上并列布置，并且分别通过电气联接板实现电气并联连接。其中，第2支柱绝缘子设计满足出线端对外壳的绝缘要求。超导限流模块三维设计效果图如图6所示。

　　故障电流经过超导带材和限流电阻的共同作用被限制到较低的电流水平，经过电气联接板传输至电流开断模块。电流开断模块内，电容器、电抗器与避雷器通过第3支柱绝缘子或自身所带绝缘子在该模块所属独立安装底盘上布置，其中电容器、电抗器通过电气连接线实现电气串联连接，避雷器通过电气连接线实现与电容器、电抗器支路的电气并联连接。交流断路器可选择真空断路器、SF6断路器等多种类型的交流断路器，其中，由于限流模块作用时间通常在几百微秒之内。因此，超导限流式直流断路器的开断时间取决于电流开断模块的交流断路器。放置于电流开断模块安装平台之上或单独放置于平台外平行空间，并通过电气连接线实现与电容器、电抗器支路及避雷器支路的电气并联连接。第3支柱绝缘子设计满足出线端对外壳的绝缘要求。电流开断模块三维设计效果图见图7。

　　进行超导限流式直流断路器电气连接时，可按照直流系统设计要求选择硬质连接（如钢管、铜排连接）或软连接（如裸铜线、电缆连接）方式。依照本文所述超导限流式直流断路器布局结构设计的原理样机三维设计效果图如图8所示。

　　3.3绝缘平台抗震性能仿真研究

　　基于结构分析理论以及相关抗震标准，笔者对超导限流式直流断路器中所设计的绝缘平台进行抗震仿真研究。

　　仿真依据文中所设计的绝缘平台三维几何模型，并采用有限元分析方法，通过大型有限元分析软件Ansys14.5进行计算[16-18]。对于地震波形的选择，按照GB/T13540-2009《高压开关设备和控制设备的抗震要求》的规定，采用最严苛条件，即按照9度进行设防（AG5），阻尼比2%；水平方向X地面加速度及Y方向加速度均取0.5g，竖向加速度取0.25g[19]。

　　抗震计算采用响应频谱法进行，输入地震波时分别考虑双向（X+Y）和（Y+Z）输入，并以其中计算较大应力值作为参考。仿真中以最薄弱的瓷绝缘子进行研究，其参考最大破坏应力为60MPa。由于超导限流器将断路器模块所需要开断的短路电流水平大大降低，因此超导限流式直流断路器中开断模块中用于自激振荡的电容与电感容量明显降低，综合考虑绝缘平台建造成本及绝缘平台上安装部件的规格，采用2T质量作为抗震计算中平台的最大承受量；与此同时，考虑到安装设计时绝缘平台不对称情况，抗震计算中，在两个安装架上采用各1T（方式1），及一边1.5T、另一边0.5T（方2）两种情况进行仿真。

　　方式1时，在X+Z方向进行抗震仿真结果见图9。由图9（a）可见，仿真中绝缘平台形变最大量出现在两斜拉杆处，形变量为14.79mm，相较于仿真中斜拉杆长度3960mm，变化率为0.37%，绝缘平台并未产生明显形变；此外，瓷质绝缘子中最大应力出现在支撑绝缘子根部，最大应力值为23.285MPa，依据GB/T13540-2009中抗震计算最大应力值不得高于破坏应力值50%的规定，可判断绝缘平台在X+Z方向施加地震响应谱时满足抗震要求。

　　方式1时，在Y+Z方向进行抗震仿真结果见图10。由图10（a）可见，仿真中绝缘平台形变最大量出现在上端安装架处，形变量为4.19mm，相较于仿真中斜拉杆长度3500mm，变化率为0.12%，绝缘平台并未产生明显形变；此外，瓷质绝缘子中最大应力出现在支撑绝缘子顶部，最大应力值为12.036MPa，因此可判断绝缘平台在Y+Z方向施加地震响应谱时满足抗震要求。

　　由X+Z向和Y+Z向响应谱分析结果可判定绝缘平台在方式1情况下满足抗震要求。

　　方式2时，在X+Z方向进行抗震仿真结果见图11。由图11（a）可见，仿真中绝缘平台形变最大量出现在两斜拉杆处，形变量为14.87mm，相较于仿真中斜拉杆长度3960mm，变化率为0.38%，绝缘平台并未产生明显形变；此外，瓷质绝缘子中最大应力出现在支撑绝缘子根部，最大应力值为24.31MPa，因此可判断绝缘平台在X+Z方向施加地震响应谱时满足抗震要求。

　　方式2时，在Y+Z方向进行抗震仿真结果见图12。由图12（a）可见，仿真中绝缘平台形变最大量出现在上端安装架处，形变量为5.29mm，相较于仿真中斜拉杆长度3500mm，变化率为0.15%，绝缘平台并未产生明显形变；瓷质绝缘子中最大应力出现在支撑绝缘子顶部，最大应力值为11.725MPa，因此可判断绝缘平台在Y+Z方向施加地震波时满足抗震要求。

　　由X+Z向和Y+Z向响应谱分析结果可判定绝缘平台在方式2情况下满足抗震要求。

　　综上所述，可判定绝缘平台设计满足GB/T13540—2009所规定的抗震要求。

　　3.4 布局结构设计方案优势

　　目前，各种类型直流断路器研究国内外均处于实验室阶段[20]，关于超导限流式直流断路器尚无工程化应用案例。文中所述的基于超导限流技术的直流断路器布局结构将在实际应用时具有以下有益效果：

　　（1）以模块化设计为特征，各个模块相对独立，在进行直流断路器总体设计时，可以并行设计、开发及并行试验、验证，实现系统占地空间的优化配置并方便安装及检修。

　　（2）提供统一的对地绝缘以及高电位上的外壳绝缘，解决高电压等级直流断路器耐受雷电冲击电压、操作过电压以及正常直流电压的电气绝缘水平问题，更好地实现了与直流断路器中开断装置的电气联接。

　　（3）采用支撑立柱加斜拉杆的结构稳定方案，增加了直流断路器各模块绝缘平台整体稳定性，经仿真计算具有良好的抗震性能。

　　4 结语

　　超导限流式直流断路器利用高温超导体“反应快”且“限流深”的特点，将直流系统中出现的短路故障大电流转化为较小电流，并由自激振荡电路完成开断。该种直流断路器可以在直流系统出现短路故障时迅速做出反应，大幅降低故障电流对直流系统各运行设备的冲击保证直流输电系统各部件安全运行，有效提高系统直流开断的可靠性，在未来多端直流系统建设中具有良好的工程应用前景。

　　本文在基于超导限流技术直流断路器研究基础上，提出了一种适用于超导限流技术直流断路器的布局结构，该布局结构采用模块化设计思路及产品布置方式，由超导限流模块、电流开断模块及绝缘平台模块3部分组成，各个模块相对独立，可并行设计、开发及并行试验、验证，实现超导限流式直流断路器占地空间的优化配置并具有良好的运行维护性能。

　　该布局结构采用支撑立柱加斜拉杆的结构稳定方案，增加了直流断路器各模块结构稳定性，经仿真验证具有良好的抗震性能。结构解决超导限流装置应用于高电压等级直流断路器时的电气绝缘水平，以及产品系列化设计的相关问题，为高电压等级大容量的直流断路器工程化设计建立基础。