超导直流限流器的互动展示系统研究

2022-02-22李俊松

今日自动化 2022年12期

李俊松

（广东电网有限责任公司汕头供电局，广东汕头 515041）

柔性直流技术利用的IGBT 元件可关断特性，对有功和无功功率进行独立控制，并执行四象限变流器的运动。它在弱电、孤岛供电、分布式电力和可再生电网接入、异步交流电网络和城市供电等领域得到了广泛地研究和应用。此外，换流器产生的谐波水平非常小，因此不需要特殊的滤波器配置，在城市、岛屿和海上平台方面具有巨大优势。目前，多电平大型直流输电系统正朝着高压、大容量和多端系统方向发展。

超导限流器基于超导技术的发展，利用软磁材料磁导率的非线性变化规律，它在正常系统运行时表现出超导特性，在系统无法限制短路电流时表现出高强度特性。超导直流限制器具有限流性能好、响应速度快、可靠性高等独特而优越的性能，在柔性直流系统的开发和应用中发挥着重要作用。由于我国电网规模的增大，电网级联程度加深，我国拥有世界上最复杂的交直流电网拓扑结构，因此我国的高压直流输电亟需得到快速发展，也为超导直流限流器等一次设备的示范运行提供了基础。

目前，南方电网研制了160 kV 超导直流限流器样机并应用于南澳柔性直流输电示范工程。作为首台160 kV 超导直流限流器，建成后为了让更多人认识此项新技术，有必要设计一种简单易懂、有趣味性的展示方法和装置。

传统的展览只是让观众用眼睛看，难以给观众留下深刻的印象，利用市场上成熟的VR 技术，通过声音和体感可以让观众沉浸在被展示的信息中，是一种较好的方法。

1 超导直流限流器互动展示方法

超导直流限流器互动展示方法分为S1、S2、S3和S4四个步骤。

1.1 建立直流超导限流器3D模型

步骤S1为建立具有动画效果的直流超导限流器3D 模型，对限流器关键部件限流单元、低温容器、出线单元和制冷系统分项建模，模型缓存在储存装置中。

限流单元由液氮包裹放置于低温容器，以实现超导装置的正常运行，为了实现低温容器的展示效果，将低温容器模型设置为开口或半透明形式。在限流单元处于限流状态时，液氮由于短路大电流的热效应蒸发为气态，之后气态的氮被导入到制冷系统，利用制冷机和水冷系统重新液化进入低温容器。工作中液氮会逐渐蒸发为气体，之后被导入到制冷系统中的换热器，并在制冷机和水冷机组的作用下，重新液化充入低温容器再次利用。

1.2 通过显示屏或VR设备观看模型

步骤S2为参观访问人员通过显示屏或者头戴式VR 设备观看模型，系统识别参观访问人员的屏幕触摸动作或VR 设备的体感动作实现观察视角和对象的选择。

对于被观察对象，可以通过触摸显示屏和控制手柄点击“放大”“缩小”按钮或者在触摸显示屏两指滑动实现缩放大小，在触摸显示屏上通过单指滑动可以旋转观察对象的视角，如果参观访问人员使用头戴显示器，显示器内部的陀螺仪可以感知参观访问人员转动头部的动作，观察对象在屏幕中旋转同样的角度。

参观访问人员通过头戴式显示器观察时，将观察对象固定于现实空间的某一位置，参观访问人员站立于某一起始位置，戴式显示器内置的陀螺仪和加速度感应器感知参观访问人员的位置和角度作为输入量，算法可以根据几何关系将输入量转换为显示输出的观察对象的大小和角度变化。

1.3 解说观察对象

步骤S3为解说观察对象情况，参观访问人员选定某一观察对象后，停留时间超过5s，则自动显示解说文本，如果参观访问人员使用VR 设备，则自动通过耳机播放语音解说。参观访问人员可以听到柔性直流输电技术的发展和应用前景：灵活高效的直流技术尤其是柔性直流技术，被认为是未来电力系统发展的一次重要革命。直流电网将以直流形式互联组成电能传输系统，实现新能源的平滑接入、有功和无功功率的独立控制、全局功率的调节互济等；直流电网在抵御故障方面面临重大挑战：直流系统故障阻尼小，发生故障时短路电流会在几毫秒内达到额定电流的数十倍的过流水平；直流保护和断路器的动作速度无法适应直流系统故障隔离需求；超导故障限流器的研究价值和研究进展，超导限流器分为电阻型超导限流器和电感型超导限流器；南澳超导限流器的亮点，这台历时三年研制的超导直流限流器实现了100%自主研发，形成了包括“高性能双面封装带材”“高耐压跨温区高压套管”等在内的多项创新技术亮点，申请了超过60个发明专利，抢占了超导电力装备制造和应用的全球制高点。

1.4 模拟故障发生

步骤S4为模拟短路故障发生情况，在参观访问人员完成步骤S1～S3后，在屏幕显示“模拟故障发生按钮”，提示参观访问人员通过触摸或者体感动作点击该按钮后，展示直流系统发生故障后限流器工作的动态过程。发生短路故障后，液氮迅速液化放热，超导线材失去超导态，等效电阻上升以限制短路电流上升速度和峰值。参观访问人员可以观看到此时的短路电流峰值更小，上升速度更缓慢。

参观访问人员可以通过屏幕点击和控制手柄点击来控制模拟故障的发生，并可以选择不同档位的故障电流大小，故障电流低于超导体临界值时超导体不会进入非超导态，大于临界值则进入非超导态，3D 模型将对不同的故障电流大小呈现不同的动画效果，并通过限流单元的颜色来展示其超导态与非超导态，其中绿色表示超导态，用红色表示非超导态；步骤S1所述限流单元有2个，参观访问人员可以切换其连接状态为并联或串联，动画将会展示不同的工作状态。

由于在实际中限流器的工作过程在100 ns 内，肉眼来不及观察，因此展示的是慢放的过程，用10 s 的时间来展示100 ns 的过程，参观访问人员“模拟故障发生按钮”后显示时间进度，既能让参观访问人员细致观察整个过程，又可以体会过程的迅速。

2 超导直流限流器3D模型

图1为限流器3D 模型的示意图，主要包括超导限流单元、低温容器、制冷系统、出线单元等部件。低温容器为一圆柱体壳状结构，限流单元置于低温容器内部并浸没在液氮中，通过将低温容器模型设置开口或设置为半透明以展示内部的限流单元。工作中液氮会逐渐蒸发为气体，之后被导入到制冷系统中换热器，并在制冷机和水冷机组的作用下，重新液化充入低温容器，液氮的循环过程在展示中使用箭头表示方向，颜色表示状态，红色为气态，绿色为液态。

图1 超导直流限流器3D模型

超导直流限流器在正常态的等效电阻极小，需要利用高温超导材料在临界温度下的超导特性实现。现在常用钇钡铜氧（YBCO）和铋锶钙铜氧（BSCCO）作为超导带材应用于各种电压等级场合，这两种材料可以在价格较低的液氮环境中使用，提升了直流限流器的经济性。因此，制冷系统对超导直流限流器非常关键，制冷设备既能实现超导限流器正常态的零电阻，又能解决超导限流器通态损耗大的问题。

低温容器为一圆柱体密封容器罐。限流单元为超导材料绕制的线圈，放置于所述的低温容器内部，通过将低温容器模型设置开口或设置为半透明以展示内部的限流单元。制冷系统包括换热器、制冷机和水冷机组，通过颜色来展示冷热交换过程，较冷一端为蓝色，较热一端为橙色。出线单元为固定于低温容器外壳，与低温容器内部的限流单元连接的柱状体。