从结构来看,传统限流电抗器采用的是空心式分裂电抗器。正常工作时,分裂电抗器两臂电流方向相反,而两臂线圈绕向相同,由于互感的影响,每臂的有效电抗很小,压降不大。当其中一臂所接线路发生短路故障时,电流急剧增大,而另一臂的电流却不大,对短路臂的互感影响可以忽略,短路臂的有效电抗很大,从而限制短路电流。这种电抗器通常都是混凝土结构,线圈绕好后,用混凝土浇装成牢固的整体,制造工艺简单,成本低,但重量大,而且由于一个电抗器只能对一相的短路进行限制,因而对三相系统而言,需要三个同样的电抗器,总体积大。
三相电抗器型超导限流器的结构比传统限流电抗器更复杂,而且还需将超导线圈浸在冷冻箱的液氮(或液氦)中,因此制造工艺也更为复杂,成本高,但重量轻,对于三相系统只需一个这样的限流器即可,体积小。
从能耗来看,传统限流电抗器采用的普通良导体(铝或铜)电缆绕组,仍具有一定的电阻,因此正常运行时具有一定的损耗,例如额定电流为2kA、电压为6kV的传统限流电抗器在每臂中流过2kA时,每相损耗为9.2kW,运行费用较高。
三相电抗器型超导限流器采用的是超导绕组,正常运行时,线圈电阻为零,而且铁心内合成磁通为零,因此,线圈电阻损耗、铁心涡流损耗和迟滞损耗均为零,运行费用仅由制冷机的功率决定。它取决于冷冻箱内壁的热辐射Prad和电流引出线的热传导产生的损耗Plead,分别为(www.xing528.com)
式中,εr为总辐射率,采用极好的绝缘材料(Super-Insulation)可取0.003;AD为冷冻箱内壁面积;T0为液氮温度(77K);T为室温(取300K);σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数,等于5.67×10-8Wm-2K-4;I为电流大小;ΔT为温度差(K);ρn为引出线的电阻率(铜为0.25×10-8Ωm);k为热传导率(铜为550WK-1 m-1)。对于一个电压20kV、电流4kA混合型超导限流器,在包含自场损耗时,冷冻机的功率都只有300W,因此,三相电抗器型超导限流器与分裂限流电抗器相比,运行费用小得多。
从限流效果看,传统限流电抗器是靠电感限制短路电流,其响应是电磁变化,具有瞬时性,三相电抗器型超导限流器在单相接地短路时,一般也是靠电感限制短路电流,同样具有瞬时性,因而响应速度两者相近。但是,由于三相电抗器型超导限流器的超导线圈是绕在高磁导率的铁心上,其电感很大,而传统限流电抗器是空芯电抗器,要达到相同的电感值,线圈匝数要大大增多,正常工作时损耗加大,供电质量降低。在三相短路或两相短路时,三相电抗器型超导限流器依靠超导线圈的正常态电阻限制短路电流,而超导体的失超转换时间只有微秒级,与系统电流的周期相比可以忽略不计[40-45]。
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