[正版]科学社直供高温超导限流器

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高温超导限流器
	曾用价	108.00
	出版社	科学出版社
	版次	31
	出版时间	2017年06月
	开本	B5
	作者	金建勋
	装帧	平装
	页数	300
	字数	365
	ISBN编码	9787030529466

　　本书完整讲述了各种利用高温超导体设计的电力系统短路故障电流限流器的原理、技术与应用。读者通过本书可以全面了解高温超导限流器这一新技术的不同工作或设计模式的原理、装置结构及其电力系统应用特性，也可以了解高温超导电力应用的基础原理与实际技术，以及电力系统限流与短路保护技术。

目录
前言
第1章 电力系统与限流保护技术背景 1
1.1 现代电力系统 1
1.1.1 大型集中式供电互联电网 3
1.1.2 分布式发电系统 5
1.1.3 微型电网 10
1.1.4 孤立电网 12
1.1.5 智能电网 14
1.1.6 现代电力系统中的电能质量问题 17
1.1.7 现代电力系统中的稳定性和可靠性 19
1.1.8 直流输电系统及其短路保护 23
1.2 现代电力系统中的短路故障问题 27
1.2.1 电力系统短路故障原因、分类与危害 27
1.2.2 电网短路电流的评估 30
1.2.3 现代电力系统的短路故障问题与危害 36
1.3 电力系统短路故障问题的解决方案 45
1.3.1 短路故障问题的传统处理措施 45
1.3.2 短路故障限流器 51
1.3.3 故障限流器应用 54
1.4 电力系统短路保护技术的比较 57
1.4.1 电力系统短路保护装置 57
1.4.2 电力系统短路保护方法比较与探讨 61
1.5 超导电力系统短路故障限流器 64
参考文献 68
第2章 高温超导限流器原理 73
2.1 高温超导限流器的基本原理与模式分类 73
2.2 基本电阻型 76
2.2.1 基本原理 76
2.2.2 电路特征 80
2.3 磁屏蔽型 85
2.3.1 基本原理 85
2.3.2 磁路分析 87
2.3.3 副边短路变压器型 89
2.4 磁饱和型 90
2.4.1 基本原理 90
2.4.2 磁路分析 91
2.5 桥路型 95
2.5.1 基本原理 95
2.5.2 电路分析 95
2.5.3 电阻投切式桥路型 97
2.5.4 双线圈互感桥路型 100
2.5.5 全控混合式桥路型 103
2.6 复合型 110
2.6.1 输电限流式 110
2.6.2 储能限流式 110
2.6.3 变压限流式 113
2.6.4 开关辅助式 113
2.6.5 不同类型组合的复合型 115
2.7 其他形式高温超导限流器简介 115
2.7.1 三相平衡电抗器型 115
2.7.2 磁通锁型 117
2.7.3 直流式电感型 121
2.7.4 变压器超导线圈混合型 122
2.7.5 直流式电抗器型 125
2.8 木同高温超导限流器的工作特点 128
2.8.1 电阻型 128
2.8.2 变压器型 129
2.8.3 磁屏蔽型 129
2.8.4 桥路型 130
2.8.5 磁饱和型 131
2.8.6 三相平衡电抗器型 132
2.8.7 不同高温超导限流器的特性比较 132
参考文献 133
第3章 高温超导限流器装置与应用技术 137
3.1 磁饱和型高温超导限流器 137
3.1.1 装置结构与原理 137
3.1.2 装置与系统 144
3.1.3 磁饱和型高温超导限流器对电力系统保护的影响 159
3.2 变压器型高温超导限流器 164
3.2.1 装置结构与原理 164
3.2.2 装置与系统 172
3.2.3 系统特性试验分析 174
3.3 桥路型高温超导限流器 179
3.3.1 装置结构与原理 179
3.3.2 装置与系统 181
3.3.3 桥路型高温超导限流器超导线圈设计 184
3.3.4 桥路型系统分析 186
3.3.5 桥路型高温超导限流器在配电系统中的应用 189
3.4 电阻型高温超导限流器 195
3.4.1 几种典型结构的电阻型高温超导限流器 195
3.4.2 装置与系统 199
3.4.3 系统分析 208
3.4.4 电阻型与配电系统继电保护的配合 211
3.5 其他类型高温超导限流器 214
3.5.1 超导传感与机械开关混合型 214
3.5.2 无铁芯感应型 215
3.5.3 直流电抗式桥路型 218
3.5.4 短路环变压器型 219
3.6 高温超导限流元件及其特性比较与实例 224
3.6.1 高温超导限流元件 224
3.6.2 高温超导限流元件特性比较 224
3.6.3 实用高温超导限流材料与元件实例 225
参考文献 235
第4章 高温超导限流器的发展与应用趋势 243
4.1 高温超导限流器的电力系统应用方案 243
4.1.1 高温超导限流器在电力系统中的基本功能和应用方案 243
4.1.2 高温超导限流器的应用与说明 244
4.2 高温超导限流器的关键技术与实用化发展 246
4.2.1 高温超导限流器的特点 246
4.2.2 不同高温超导限流器的特点 247
4.2.3 高温超导限流器研究中的关键技术 253
4.3 高温超导限流器的能效分析 254
4.3.1 高温超导限流器的自身能耗分析 254
4.3.2 高温超导限流器在电力系统应用中的能效分析 257
4.4 高温超导限流器的发展趋势与展望 260
4.4.1 高温超导限流器的意义 260
4.4.2 高温超导限流器的发展过程与发展水平 262
4.4.3 高温超导限流器的实用化问题 279
4.4.4 高温超导限流器的应用前景 281
参考文献 283

导语_点评_推荐词 

第1章 电力系统与限流保护技术背景
　　1.1 现代电力系统
　　电力系统(electric power system或power system)，简称电网，包括基本的发电、送电、变电、配电、用电设备和调相调压、加强稳定、限制短路电流等辅助设施，以及继电保护、调度通信、远动和自动调控设备等二次系统装置。
　　传统电力系统的构成可以概括为：
　　(1) 电力流，由高压设备，如发电机、变压器、输电线路以及其他配电装置构成，即一次系统，实现电能的转化、变换、传输、分配、使用。
　　(2) 信息流，由传感器、通信网络和计算机构成，通过监控、保护、白动控制、调度白动化等二次系统，实现电力系统可靠、稳定、安全和经济的运行。
　　(3) 货币流，电能的市场交易活动。
　　电力系统运行的特点主要是：
　　(1) 包含不同类型发电站，包含多种不同类型电力设备和连接众多不同类型电能使用用户的高电压、大容量和大网络的大区域电能输配系统。
　　(2) 电能不能大量储存，要求电能的生产、输送、分配和使用几乎在同一瞬间完成。
　　(3) 电力系统的暂态过程短促，因此电力系统的安全监测与控制非常困难。
　　电力系统中的关键技术环节非常多，涉及的领域非常广。其宏观结构包含发电、输电和用电部分，以及结合各部分的变电站。变电站是电力系统间的一个重要环节，主要承担电能的电压等级变换和能量分配的任务。变电站主要分为发电厂内升压变电站、一次变电站（输电变电站）、二次变电站（配电变电站）、用户变电所等，并有室内和室外之分。从主要装置角度看，涉及电机与发电技术，电缆、变压器与输电技术，电抗器、继电器与保护技术等。从主要系统角度看，涉及系统的构建、连接、控制与管理。其中的具体技术问题很多，这里以高压技术为例，说明现代电力系统与高压技术的关系。工程上把1千伏(kV)及以上的电压称为高电压。高电压技术所涉及的高电压类型有直流电压、工频交流电压和持续时间为毫秒级的操作过电压、微秒级的雷电过电压、纳秒级的核致电磁脉冲等。高电压技术可大致分为电力系统过电压及其限制、高电压绝缘、高电压试验和测量等几个方面。以试验研究为基础的高电压技术，主要研究在高电压作用下各种绝缘介质的性能和不同类型的放电现象，高电压设备的绝缘结构设计，高电压试验和测量的设备及方法，电力系统的过电压、高电压或大电流产生的强电场、强磁场或电磁波对环境的影响和防护措施，以及高电压、大电流的应用等。高电压技术对电力工业和电工制造业有重大影响，其影响还涉及其他领域，如现代物理中的X射线装置、粒子加速器、大功率脉冲发生器等。现代电力系统在设计技术上除涉及前面提到的高电压技术，其安全运行还会涉及保护技术。电力系统稳定运行意义重大，故需要有效的安全保护技术，如电力系统短路故障限流保护技术。
　　20世纪以后，随着电能应用的日益广泛，电力系统所覆盖的范围越来越大，输电电压等级不断提高，输电线路经历了35kV、60kV、110kV、154kV、220kV的高压(HV)，330kV、500kV、750kV的超高压(EHV)和ii50kV的特高压(UHV)的发展（其中15 4kV为非标准电压等级，60kV和330kV为限制发展电压等级）。直流输电也经历了±100kV、±250kV、±400kV、±450kV、±500kV、±660kV、±750kV，以及±800kV和±1100kV特高压的发展阶段。在中国，特高压是指±800kV及以上的直流电和1000kV及以上的交流电的电压等级。国际上，高压通常指35～220kV的电压；超高压通常指330kV及以上、1000kV以下的电压；特高压通常指1000kV及以上的电压。高压直流(HVDC)通常指的是±600kV及以下的直流输电电压，±800kV及以上的电压称为特高压直流(UHVDC)。20世纪60年代以后，为了适应大城市电力负荷增长的需要，以及克服城市架空输电线路走廊用地的困难，地下高压电缆输电得到快速发展，由220kV、275kV、345kV发展到70年代的400kV、500kV电缆线路；同时为减少变电站占地面积和保护城市环境，有绝缘和灭弧性能的气体绝缘全封闭组合电器(GIS)得到越来越广泛的应用。伴随高压的提升以及大容量的快速提升，其发展过程中自然也会出现新的技术问题。
　　20世纪中叶以来出现的大型电力系统，是直至目前工业系统中规模*大、层次复杂、技术和资金密集的复合系统，是人类工程科学史上*重要的成就之一，也对人类社会具有*重要的影响。随着科学技术的进步及人类社会的发展，电力系统的概念及内涵也有相应的变化和发展，出现了智能电网、物联网，甚至有包含电力系统的更大规模的能源互联网的概念。
　　高压大容量集中输送电，并不是现代电网发展的**趋势。到目前为止，世界上大致出现了四种电网的概念，即大型电网、微型电网、智能电网和能源互联网。分布式发电系统、微型电网、孤立电网，三个概念之间存在一定的交叉和包含。智能电网是电力工业发展的必然趋势，同时智能电网概念也在扩展。能源互联网是一个新的概念。一方面，将能源从电力向气、热、冷、交通系统进行扩展；另一方面，在实施的范围上向全球扩展，全球能源互联网(global energy interconnection，GEI)的概念应运而生。全球能源互联网是以特高压电网为骨干网架、全球互联的坚强智能电网，是清洁能源在全球范围大规模开发、配置、利用的基础平台。
　　本节将对不同电网及其特征做一介绍，并进行简要对比分析。
　　1.1.1 大型集中式供电互联电网
　　电能作为一种清洁无污染的能源，可以远距离、大容量地输送和使用。电能利用的广度和深度，日益成为一个社会现代化程度的重要标志。为了满足电能在容量、质量、安全性和经济效益等方面的要求，保证社会生产和人民生活的需要，客观上要求现代电力系统用智能的高压电网把众多发电厂和用电区域连接成为一个整体，以便向电力用户提供充足、安全、经济且有一定质量保证的电能供应。
　　至目前为止，电网发展可分为三个阶段：一是19世纪末至20世纪中期，形成城市或地区独立电网；二是20世纪中期至20世纪末，通过互联逐步形成跨区跨国大电网；三是21世纪初至今，在拓展电网互联范围的同时更加注重电网支撑绿色转型的作用。当前和未来一段时期，发达国家电力转型提速，可再生能源快速发展，大电网资源配置作用凸显，对输电网进行重构和加强势在必行。发展中国家则面临发展与转型相结合的双重任务，电网仍处于加快扩张和加强联网阶段。
　　现代电力系统已经逐渐发展成为地域辽阔、结构复杂的大系统，是人类有史以未*为庞大和复杂的基建设施及工业投资，是20世纪以来改变人类生活的*伟大成就，其重要性超过了汽车、高速公路、因特网及众多其他发明[]。大型集中式互联电网的发展带来了巨大效益：一是保障大容量机组、大水电、核电、可再生能源的开发和利用，提高能效，降低运行成本；二是减少系统备用容量，推动多种电源互补调剂，节省发电装机；三是实现能源资源的大范围优化配置，有利于竞争性能源电力市场拓展；四是提高电网整体效率和安全可靠性。
　　中国大电网互联起步比发达国家约晚20年，但后来居上，目前正处在迅猛发展的时期。电力工业自“九五”期间已步人了高速发展时期，各大电网装机容量以每年10%～20%的速度递增。在建成的六个跨省区大电网的基础上，国家计划以三峡水电站为基础，建立起全国互联电网的框架，以促进全国统一电网的建设，实现西电东送、南北互供、全国联网。中国未来大电网区域如图1-1-1所示。目前大范围推广应用特高压交直流输电技术的时机已经成熟。未来一个时期，中国电网的跨区输电规模和输电距离要明显超过国际上其他大电网，采用特高压交直流等先进输电技术是适合国情的战略性选择。同时，这种技术在国际上也有较好的应用前景。特高压交直流各自具有不同的功能定位，需要统筹兼顾，协调发展，共同满足大电网安全经济运行的需要。交流具有网络功能，可以灵活地汇集、输送和分配电力；直流主要是输电功能，在大容量、超远距离输电方面一般具有经济优势。但是从另一方面，随着大型互联电网规模的不断扩大，输电网的结构和运行日益复杂，造成已有输电系统的负担日益加重。
　　图1-1-1 中国大电网发展示意图
　　从大型集中式供电互联电网看，随着经济和社会的发展，电力需求不断增加，电力系统不断发展，电网的容量和并网输电日益增加，电网的潜在短路功率和故障短路电流也随之大大增加，对电网中各种电器设备的潜在短路电流冲击也越来越大。因此，要求输电系统和在线设备的抗大电流冲击的能力越来越高，也要求高压断路器的开断容量相应增加，以避免保护闸在过大短路电流情况下无法开断导致整个系统烧毁和崩溃。这一增大的潜在短路故障电流给电力系统的设计、建设和运行带来一系列问题。首先，它对发电机、变压器、断路器等电力设备的动态稳定性及热稳定性参数要求更高，导致这些设备的体积、重量和成本增加；其次，故障电流等级增大会加大对并行的发电机和电气设备的扰动；*后，电力系统出现各种故障状态的概率增大。故障中*常见、危害*大的是各种形式的短路故障，短路故障可破坏电气设备，造成供电中断，进而给社会和国民经济带来巨大的损失。
　　电力系统的运行要求安全可靠、电能质量高、经济性好。随着电力需求日益增长，电力系统的规模也逐渐扩大。发电机单机容量的增大、配电容量的扩张及各大电网的互联，配电母线或大型发电机出口的短路电流值也将迅速提高，有可能达到100～200kA的水平。电网的短路水平迅速提高，这就给电网内各种电器设备，如断路器、变压器以及变电站的母线、构架、导线和支撑瓷瓶等带来了更苛刻的要求。一旦发生短路，系统中的开关设备应能在尽可能短的时间内隔离故障点。目前的电力系统需要容量更大的开关设备和新的更有效的保护技术。这既是发电、变电设备安全性保护的要求，也是电力系统安全、稳定及经济运行的需要。短路电流问题已开始成为影响电网发展和运行的一个重要因素。因此，限制电力系统短路电流成为一个亟待解决的问题。
　　现代集中式供电互联电网具有大容量、大规模、高电压、远距离的特点，可以基本满足人们对电能的需求。但是，鉴于大型集中式供电互联电网在世界范围内发生的多起停电事故所暴露的脆弱性问题，如输电系统的负担日益加重、配电系统的稳定性和安全性日益下降等，人们不禁要考虑，未来的电力系统应该采取什么样的发展模式？一味地扩大电网规模显然不能满足实际要求。白20世纪80年代末开始，发达国家如日本、美国甚至包括一些发展中国家，开始研究并应用多种一次能源形式结合的高效、经济的新型电力技术——分布式发电技术[4-7]。由于集中发电存在的问题和近年可再生能源发电技术的实用化发展，当今电力工业又出现了一个由传统的集中供电模式向集中和分散相结合的供电模式过渡的趋势。
　　1.1.2 分布式发电系统
　　1．分布式发电系统的发展
　　世界范围内电力工业技术进步和地球资源日渐衰竭及人们对环境的关注，使得在电力系统中形成了一个新研究热点——分布式发电(distributed generation，DG)技术。分布式发电是指直接布置在配电网或分布在负荷附近的发电设施，它能经济、高效、可靠地发电。分布式发电由美国于1978年在公共事业管理政策法中公布并正式推广，其定义为：①与传统供电模式完全不同的新型供电系统，为满足特定用户需要或支持现有配电网的经济运行，以分散方式布置在用户附近、发电功率为数十千瓦至50MW的小型模块式、与环境兼容的独立电源；②任何安装在用户附近的发电设施，不论其规模大小和一次能源的类型（包括分布式发电、热电联产、冷热电联产以及各种储能技术等）。基于可再生能源的分布式发电有良好的前景，如预期到2020年，其将占到美国总发电量的25%。相对于大型集中式发电系统，分布式发电系统具有电源容量小、电压等级低、小型模块化、接近负荷中心、运行方式灵活等特点。而这些特点也恰恰使分布式发电系统弥补了超高压、远距离输电的不足，满足了电力系统和用户的特定要求，如电力调峰、为边远用户或商业区供电等，成为现代电力电网规划的新课题。
　　分布式发电系统通常是利用环境友好的可再生能源(renewable energy)产生电能，而不是采用煤炭作为一次能源。目前，分布式发电技术是与新型可再生能源技术的发展密切相关的，主要包括太阳能发电技术、风力发电技术、燃料电池、微型燃气轮机等，图1-1-2为分布式发电系统结构特点示意图。以上几种主要分布式发电技术的特点见表1-1-1。
　　图1-1-2分布式发电系统结构特点示意图
　　表1-1-1分布式发电系统的特点

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