直流故障电流限制器的理论与应用研究

论文摘要

故障短路严重威胁了电网和大电源的安全与稳定运行,装备故障电流限制器是解决该问题的主要技术手段之一,这在交流系统中已成功应用。高压直流的发展同样需要抑制直流故障短路电流,因此,研究限制直流故障短路电流的关键理论与方法已成为当前直流电力系统研究的前沿课题之一。本文旨在研究具有直流故障电流限制功能的高压缓冲器（snubber）,研究其限流机理、拓扑结构、涡流损耗、磁滞损耗,研制出微型缓冲器模型并对3.5nF/100kV高压缓冲器进行了仿真与测试验证。本文的主要研究工作包括以下几个方面:给出了考虑高压缓冲器内层铁心完全饱和时等效电阻的分析方法:利用安培环路定律,在Fink-Baker高压缓冲器分析方法的基础上,推出不同铁心叠片中涡流大小与饱和深度的关系,导出整个高压缓冲器随铁心饱和深度变化的等效涡流电阻。根据高压缓冲器的等效涡流电阻及NBI系统的杂散电容,建立杂散电容的放电模型。采用变量替换法,给出了详细求解过程,得到了铁心叠片饱和深度的指数时间常数、电弧电流及峰值等。在此基础上给出饱和至某层铁心叠片时的等效时变电阻与弧流衰减时间的表达式。优选出高压缓冲器的铁磁材料:从分析铁磁材料的基本理论出发,对几种铁磁材料进行了对比分析,优选出适于制造高压缓冲器的铁磁材料。分析了弧流控制参数与高压缓冲器的尺寸关系,得到高压缓冲器应为细长结构的结论。在确定传输线方案的基础上,进一步明确高压缓冲器的内径、外径尺寸,以确定高压缓冲器的总长度。提出并建立了包含高压缓冲器等效电阻与并接电感的仿真模型:该仿真模型的参数仅与高压缓冲器的工况、尺寸及材料特性有关,并进行了仿真研究。研究结果表明:二次侧接入负载电阻能提高高压缓冲器的饱和阈值电压,同时也提高其限流与吸能能力。该研究为微型高压缓冲器的研制及大容量高压缓冲器的研究提供了理论依据。参照高压缓冲器的仿真设计方案,研制出微型缓冲器并进行试验测试。试验证明本文研究的高压缓冲器能较好地限制直流故障电流。测试得到的弧流放电时间常数、电流峰值与相应理论值基本吻合,验证了前述高压缓冲器理论分析的正确性。参加研制了3.5nF/100kV高压缓冲器和在EAST NBI试验平台的测试,测试结果与理论值基本吻合。但由于NBI测试平台的杂散电容超过预期值,东方超环EAST NBI系统建议采用两台3.5nF/100kV高压缓冲器。本文提出的高压缓冲器具稳态电压损耗小、限流阻抗大、响应速度快、限制电流效果好、吸收能量能力强等优点,是NBI高压系统中有应用前景的保护设备。所研制的微型缓冲器模型验证了本文理论分析和模型的正确性,这些为设计和建设用于EAST和ITER的高压缓冲器提供了依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 电源系统与故障电流限制器研究综述
• 1.2.1 中性束注入电源系统综述
• 1.2.2 故障电流限制器研究综述
• 1.3 课题研究意义及研究内容
• 第二章 高压缓冲器的基本理论研究
• 2.1 铁心叠片特性研究
• 2.2 叠片薄层起始阶跃磁化参数与放电分析
• 2.2.1 磁化电流及磁化电阻的计算
• 2.2.2 简化放电模型研究
• 2.3 简化放电电流的高压缓冲器设计
• 2.4 高压缓冲器的经典理论研究
• 2.4.1 高压缓冲器等效参数研究
• 2.4.2 高压缓冲器等效电路分析
• 2.4.3 高压缓冲器的设计参数
• 2.4.4 最内层叠片完全饱和的理论分析
• 2.4.5 高压缓冲器磁滞损耗
• 2.5 本章小结
• 第三章 高压缓冲器的设计
• 3.1 铁磁材料性能分析与选型
• 3.1.1 铁磁材料分析基础
• 3.1.2 铁磁材料的选型
• 3.1.3 铁磁材料特性测试
• 3.2 ITER NBI 高压缓冲器的参考设计
• 3.3 NBI 系统分布电容
• 3.4 传输线结构
• 3.5 高压缓冲器的设计要求与设计方法
• 3.5.1 高压缓冲器的设计要求
• 3.5.2 求解放电模型的高压缓冲器设计
• 3.5.3 参照ITER NBI 高压缓冲器的设计
• 3.5.4 不同设计方法的对比分析
• 3.5.5 高压缓冲器并联电感
• 3.6 EAST NBI 高压缓冲器的设计
• 3.7 考虑内层叠片完全饱和的高压缓冲器设计
• 3.8 高压缓冲器拓扑结构
• 3.9 本章小结
• 第四章 高压缓冲器研制与测试
• 4.1 10kV 测试平台
• 4.2 放电球隙电压分析
• 4.3 偏置电流的设定
• 4.4 电源计算机控制平台
• 4.5 1:10 高压缓冲器模型试验
• 4.6 铁磁材料B-H 曲线与材料特性研究
• 4.7 非晶缓冲器模型试验
• 4.7.1 无负载的试验
• 4.7.2 带负载的试验
• 4.8 高压缓冲器试验
• 4.8.1 外接100 欧负载电阻试验
• 4.8.2 外接50 欧负载电阻试验
• 4.9 100kV 测试平台
• 4.9.1 偏置电流源的保护
• 4.9.2 螺线管电感的计算
• 4.9.3 100kV 测试平台试验
• 4.10 NBI 测试台对地电容试验
• 4.10.1 测试方案
• 4.10.2 测试结果及其分析
• 4.11 离子源吸收能量的测试
• 4.11.1 测试方案
• 4.11.2 传输线对地电容+测试平台对地电容试验
• 4.11.3 测试平台对地电容试验
• 4.12 梯度极测试平台试验
• 4.12.1 直接短路试验
• 4.12.2 带高压缓冲器的短路试验
• 4.13 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 附录 电源控制程序
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 上海交通大学学位论文答辩决议书