赵 鹏，杨 帆，李晨曦

(东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012)

随着交直流混合电网时代的到来，电网规模不断扩大，电力系统容量逐年增加，短路容量和短路电流水平也急剧增加［1］。一旦电力系统短路，巨大的短路电流可能导致断路器无法正常断开，这就对电力系统的保护设备提出了更高的要求［2］。所以，超导故障限流器(SFCL)现已成为电流保护装置的研究热点，其应用已经成为电力保护设备发展的必然趋势［3］。文献［4-5］分析了将电阻型 SFCL应用于交流电网研究其对交流电网的影响，文献［6-10］设计了几种新型的桥式换流器。现今对SFCL的主要研究方向集中在对其性能的改进和将其应用于交流电网。

随着直流系统在电网中的比例越来越大，将SFCL应用于HVDC系统的作用更加显著，特别是用于限制换相失败更是SFCL一项独特的作用。因此本文介绍了桥式超导故障电流限制器(SFCL)的限流原理及限流效果。

1 桥式SFCL的原理［11］

桥路型SFCL的工作原理如图1所示。直流偏压电源Ub为超导线圈L提供直流偏流I0。设正常稳定运行时负载电流i1=2Isinωt，调整直流偏压电源Ub，使流经超导线圈的偏流I0大于负载电流的峰值2I0。此时I0在VD4与VD1、VD2与VD3均匀分流，A、B点等电位，各二极管中分别流过负载电流的一半以及Ub提供的直流电流的一半，故正常状态时任何瞬间均有

在PSCAD仿真环境中，搭建如图1所示的仿真模型，设定该电路在0．5 s时发生短路故障，故障时间为0．1 s，仿真波形如图2、图3所示。

图1 桥式SFCL原理电路图Fig．1 Bridge SFCL principle ciruit diagram

图2 未加SFCL的短路电流Fig．2 Short circuit current with out SFCL

图3 加入故障限流器后的故障电流Fig．3 Fault current with SFCL

由图2、图3可以看出，加入故障限流器后短路电流由原来的2．2个标幺值降到1．4，说明加入故障限流器后其限流效果明显。

2 直流输电换相失败

当桥路型SFCL两个桥臂之间换相结束后，刚退出导通的阀在反向电压作用一段时间内，如果未能恢复阻断能力，或者在反向电压作用下换相过程一直未能进行完毕，在这两种情况下阀电压转向正向时换相的阀将向原来预定退出导通的阀换相，这称之为换相失败［12］。

12脉动直流输电系统对称运行时，其逆变器关断角γ可由下式表示［13］:

式中:k为换流变压器的变比;XC为换相电抗，Ω;Id为直流电流，kA;E为换相电压的线电压有效值，kV;β为越前触发角，°。

当逆变侧交流系统发生不对称故障并使换相线电压过零点发生前移时，逆变器的关断角可由下式表示:

式中:φ为换相线电压过零点前移角度，°。

晶闸管需要一定的时间完成载流子复合，恢复阻断能力，晶闸管恢复时间以及角度γmin约为10°，即当计算出的关断角 γmin≤10°时就认为换相失败［14-15］。因此，从本质上说，换相失败的根本原因是关断角不能达到最低要求。

由式(1)、式(2)可知，不管是对称故障还是不对称故障，直流电流的增大、换流线电压的下降都是影响换相失败的主要因素，而能引起直流电流增大、交流电压下降的主要故障就是逆变侧交流系统发生短路故障，因此研究由逆变侧交流系统短路故障引起的换相失败故障特征具有重要的现实意义。

3 SFCL加入直流输电系统

在直流输电系统中，SFCL的安装位置如图4所示。

图4 直流输电系统中加入SFCLFig．4 DC transmission system with SFCL

如果故障发生在系统母线中，故障电流通过换流器，这意味着流过每个晶闸管的故障电流与正常操作时相比增加了。晶闸管电流的增加会改变晶闸管的正常工作，导致换相失败。在换向失败时电力传送会停止，这会导致直流输电系统的连续停电，甚至损坏设备。为了缓解这个问题，在直流输电CIGRE标准模型上，将SFCL连接于交流母线与交流过滤器之间，设置0．4 s时U相单线接地故障，故障持续时间为0．02 s，观察交直流电压电流、逆变侧熄弧角的变化，并与不加入SFCL时做图像对比。不加SFCL时的仿真波形如图5—图8所示。

由图5—图8可以看出，当发生单相短路接地时，故障相电压瞬时为零，其余两项电压发生严重畸变。直流电流过冲到几乎2.5个标幺值，熄弧角在故障期间降为零。由发生换相失败的基本判断条件可知，这种故障情况下逆变侧必然会发生换相失败。加入SFCL时的仿真图形如图9—图11所示。

图5 故障相电压

Fig.5 Fault phase voltage

图6 非故障相的电压Fig.6 Non fault phase voltage

图7 故障期间直流电流Fig.7 DC current during fault

图8 故障期间γ角Fig.8 γAngle during the fault

图9 U相电压Fig.9 U phase voltage

由图9—图11可知，加入SFCL时交流电压和直流电流都不会发生太大变化，γ角在故障期间也控制在10°以上，不会发生换相失败，因此证明了在HVDC系统中加入SFCL可以有效抑制换相失败的发生。

图10 故障期间直流电流Fig.10 DC current during fault

图11 故障期间γ角Figure 11 γ Angle during fault

4 结论

SFCL的加入可以在直流输电系统故障时限制交流电压的下降和直流电流的激增，将熄弧角限制在规定范围内，使换流器不会发生换相失败。同时，也为抑制直流输电的换相失败提供了一个有效的解决方案，有效保证了直流输电系统的稳定运行。

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