35kV超导限流器直流控制电源设计

直流控制电源部分包括直流电源、快速开关、磁能吸收模块以及控制模块四部分。直流电源的负载是超导绕组，在稳态、限流态、恢复态具有不同的运行特性，因此对直流电源部分及控制部分有着特殊的要求。

1.直流电源

直流源用于向直流绕组提供直流励磁电流。由于电网长期正常运行，就要求直流源的输出具有较高的稳定度和可靠性。电源在运行的过程中会遇到两个问题：一个是在稳态运行时，铁心的不对称性在直流绕组两端产生的感应电压会干扰电源输出的稳定性；另一个是限流器在短路故障发生未切断直流回路之前也会有感应电压产生，会威胁直流电源的安全。

直流源的输出要与超导磁体的设计相匹配，磁体中的超导绕组由多个超导饼串并联组合而成。35kV挂网限流器超导磁体的设计通流约为300A，故电源设计额定输出值为300A。

由于直流源的负载是超导材料绕制的绕组，工作时直流绕组处于超导态，直流电阻几乎为零，即电源近乎在短路状态下工作。考虑到导线损耗、导线接点等因素，超导绕组稳态压降低于0.5V。

所以电源应满足的条件，一是低电压大电流输出，二是具有输出抗干扰能力。

2.直流电源的控制部分

直流电源的控制部分是整个超导限流器的关键装置，内置的监测单元通过监测交流电网的电压和电流信号，当监测到交流电网发生短路故障时，系统在数毫秒内识别出故障，并及时通过开关和保护系统切断直流励磁，使超导限流器工作在限流态，同时保护系统各个部件免受关断电压和交流侧感应过电压影响；在监测到电网故障消除后，控制系统控制开关重新导通，快速给限流器充磁，在600ms内使其恢复到正常的工作状态。其直流主回路的设计原理图如下：

如图4.29所示，限流器稳态运行时，接触器JCQ1、JCQ2闭合，接触器JCQ3断开，三相380V电源经过380V/28V变压器降压，在经过整流模块，给电容C1充电（使用6个500μF的电容串联而成）用来给超导绕组提供稳定的励磁电流。

图4.29　35kV超导限流器直流电源控制系统

在限流态时，快速开关Q1和Q2同时断开，直流励磁电流在数毫秒之内由额定值降为0，励磁电流下降时间测试如图4.30所示。而在恢复态时，交流接触器JCQ1、JCQ2和JCQ3与稳态时的通断正好相反，380V交流电则直接经过整流模块，在电容C1（4000μF）两端产生约500V的直流电，用于向超导磁体强励磁，以达到在600ms内的完成励磁的时间要求。通过试验测试，直流励磁电流在520ms内由零达到额定值，励磁电流上升时间测试如图4.31所示。(www.xing528.com)

3.快速开关及过电压保护单元

昆明普吉变电站35kV出线保护相间电流Ⅰ段为零时限速动段，继电装置固有动作时间不大于40ms，这段时间之后断路器动作。为保证断路器安全动作，必须在断路器动作之前将短路电流限制到安全范围^[1]，因此对快速开关的断开时间提出这样的指标：直流回路完全断开时间小于5ms，这个时间为快速开关接收到断开指令，一直到直流回路内电流（包含铁心内磁能释放的过程）减小至零（或很小，保证限流器铁心退出饱和）的时间。

图4.30　直流励磁电流的下降时间

图4.31　直流励磁电流上升时间

选用IGBT做为快速开关可满足断开时间小于5ms的要求，快速开关由4组IGBT（选用ABB 5SNA 0600G650100，V_ce=6500V，I_c=600A）串联组成，如图4.32所示，串联起到分压作用，使感应高电压和关断过高压能均摊到每个IGBT两端，压敏电阻用于保护IGBT，限制过电压水平，防止由于关断不同步而造成的高电压击穿IGBT。每个IGBT两端并联一组RC缓冲电路（R值为1.1Ω，C值为0.05μF）和ZnO压敏电阻。

图4.32　快速开关电气图

过电压保护单元采用高能压敏电阻，利用压敏电阻的非线性伏安特性来限制过电压水平并吸收超导绕组的磁能。

当系统有短路故障时，直流系统快速开关关断，其超导绕组两端产生高电压，过电压值被压敏电阻所钳制，该过电压值是由所选压敏电阻的型号决定的，在本设计中，直流系统最高过电压水平为6.3kV。