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2023 年第 51 卷第 11 期 T 理论研究 heory Research寿佳波等基于3D超导调相机模型的不同阻尼屏蔽结构的性能分析和对比7 收稿日期:2023-09-01基金项目:国网浙江省电力有限公司科技资助项目(B311DS22000L)基于 3D 超导调相机模型的不同阻尼屏蔽结构的性能分析和对比寿佳波1,张建承2,马吉恩1,方攸同1(1.浙江大学 电气工程学院,杭州 310027;2.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院,杭州 310011)摘 要:高温超导调相机以响应速度快和占用空间小等优势而在孤岛等特殊电力系统场合被用来替代传统调相机。为保证超导励磁绕组始终工作在超导态,提高高温超导调相机的运行可靠性,需要探究高温超导调相机的阻尼屏蔽结构对超导励磁绕组区域的异步磁场的抑制能力,通过三维有限元仿真对比不同阻尼屏蔽结构在超导电机端部和非端部区域的异步磁场抑制能力,结果表明,铜套阻尼屏蔽结构更加适合应用于高温超导调相机。利用三维仿真计算采用不同阻尼屏蔽结构的高温超导调相机的暂态性能,发现采用铜套阻尼屏蔽结构的高温超导调相机具有更小的次暂态电抗和更大的短路电流。关键词:高温超导调相机;阻尼屏蔽层;异步电枢磁场;暂态性能中图分类号:TM342 文献标志码:A 文章编号:1004-7018(2023)11-0007-08Performance Analysis and Comparison of Different Damping Shielding Structures Based on 3D Superconducting Synchronous Compensator ModelSHOU Jiabo1,ZHANG Jiancheng2,MA Jien1,FANG Youtong1(1.College of Electrical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China;2.State Grid Zhejiang Electric Power Co.,Ltd.,Electric Power Research Institute,Hangzhou 310011,China)Abstract:The high-temperature superconducting synchronous compensator(HTSSC)is used to replace the traditional synchronous compensator in special power systems such as isolated islands because of its advantages of fast response speed and small space.In order to ensure that the superconducting excitation winding always works in the superconducting state and improve the operation reliability of the HTSSC,it is necessary to explore the suppression ability of the damping shield structure to the asynchronous magnetic field in the region of the superconducting excitation winding.The suppression ability of asynchronous magnetic field in the end and non-end regions of HTSSC with different damping shielding structures was compared by three-dimensional finite element simulation.The results showed that the copper shell damping shield structure was more suitable for HTSSC.The transient performance of HTSSC with different damping shielding structures was calculated by three-dimensional simulation.It was found that the HTSSC with copper shell damping shielding structure had smaller subtransient reactance and larger short circuit current.Key words:high-temperature superconducting synchronous compensator(HTSSC),damping shield layer,asynchronous armature field,transient performance0 引 言随着近几年新能源占比的增大,电力系统对无功补偿的需求随之增大1。我国新能源的分布呈现集中式的地域特征,且新能源资源丰富的地区往往距离国内主要电力负荷区较远,因此特高压直流输电在电力行业中被广泛应用2。但输电线路动态无功不足的问题也逐渐严重,为此需要建立大量的无功补偿设备给电网输入快速、大量的动态无功3。在大力开发新能源之前,大量的火电机组保证了电力系统的惯性支撑,电力电子器件无功补偿设备由于响应速度更快和占用空间更小而取代了传统的同步调相机4。但在新能源占比不断提高的前提下,原来被基本淘汰的同步调相机无功补偿设备因为具有提供惯性支撑的能力而重新进入了电网系统中。相比传统的同步调相机,超导同步调相机具有更快的响应速度、更高的过载能力、更大的短路电流容量、更低的损耗以及更强的无功补偿性能5。不同于传统同步调相机,高温超导调相机的超T 理论研究 heory Research2023 年第 51 卷第 11 期寿佳波等基于3D超导调相机模型的不同阻尼屏蔽结构的性能分析和对比8 导绕组会在异步磁场中产生局部涡流和发热而导致失超问题,因此需要相应的阻尼屏蔽结构来保护超导绕组6-7。类似的情况也出现在一些超导风力发电同步发电机上,很多采用超导电枢绕组的海上风力发电机会在每个槽内的超导电枢绕组和转子永磁体之间加一块铜板以实现异步磁场的屏蔽8-9。也有一些采用超导励磁绕组的高温超导发电机保留了定转子铁磁齿而使用单极全包围的阻尼屏蔽结构10,但更多的超导发电机采用铜套阻尼屏蔽结构和鼠笼式阻尼屏蔽结构11-13。有时为了提高异步磁场的屏蔽效果也会采用多层的阻尼屏蔽结构14或者多种阻尼屏蔽结构结合使用15。文献16采用有限元方法发现有铁心超导发电机阻尼屏蔽层的材料电导率越高,轴向上的厚度越大,则阻尼屏蔽层对异步磁场的屏蔽效果越好。超导发电机中的阻尼屏蔽结构除了能为超导绕组提供磁屏蔽保护外,同样也影响着超导发电机的暂态运行。比如在超导发电机起励的过程中,阻尼屏蔽结构上产生的屏蔽电流会使得超导磁体无法达到设计要求,这就使得超导发电机需要更长的时间使发电机进入到稳定工作状态17。考虑到大多数针对超导调相机的电磁阻尼屏蔽结构的研究基于二维仿真,并没有考虑到更为复杂的端部的屏蔽效果。而且采用跑道型超导励磁绕组的超导调相机具有较大的半圆形励磁绕组端部,这使得端部区域的电磁阻尼屏蔽结构的屏蔽效果值得探究。本文采用三维有限元仿真分析两种常用的超导发电机电磁阻尼屏蔽结构在不同的轴向位置上的异步磁场屏蔽效果,证明了铜套阻尼屏蔽结构更加适合高温超导调相机。同时考虑到电磁阻尼屏蔽结构对超导调相机的暂态性能的影响,对不同阻尼屏蔽结构下超导调相机的暂态性能进行了简要的计算分析和对比。1 阻尼屏蔽层的磁场阻尼作用分析1.1 阻尼层作用超导励磁同步电机的超导励磁绕组浸泡在杜瓦当中,极低温环境并不适合使用易受到温度变化而大幅形变的硅钢材料,且硅钢的使用也必然影响到杜瓦对超导励磁绕组的低温控制效果,因此跑道型超导励磁绕组周围一般不会添加硅钢等导磁材料。但在失去硅钢的保护后,超导励磁绕组直接暴露在电枢磁场当中。超导励磁绕组随着转子按同步速旋转,其本身产生的励磁磁场必然按同步速旋转,但电枢绕组产生的电枢磁场存在很多谐波,产生异步磁场,而异步磁场会在超导励磁绕组上感生出谐波反电动势。由于超导励磁绕组具有小电阻大电感的特性,谐波反电动势会在超导励磁绕组上产生局部的大电流和由其造成的局部发热,一旦局部发热超过了杜瓦的冷却能力,则意味着超导励磁绕组会产生局部的失超问题,进而影响整个系统的稳定运行。为了减小超导励磁绕组发生失超故障的可能性,甚至完全解决这类故障,一般会在超导励磁绕组与电枢绕组之间加一层阻尼屏蔽层,对电枢磁场中的异步磁场进行限制。阻尼屏蔽层对异步磁场的削弱越大,即对相应的电枢谐波磁场的削弱越大,则超导励磁绕组产生失超故障的可能性越低。1.2 阻尼屏蔽层对电枢磁场的影响当电枢绕组中通三相电流时,三相合成磁动势可以表示:F(,t)=Fcos(t-p+)(1)式中:为超导调相机的电角速度;为电枢磁动势的时间谐波次数;为电枢磁动势的空间谐波次数;p 为超导调相机的极对数。由于超导励磁绕组产生很大的磁场,为了避免铁磁材料对磁通密度的限制,超导调相机采用非铁磁材料来固定定子电枢绕组和转子励磁绕组,只采用定子背铁来约束磁场范围。这种气隙电枢的结构使得气隙的磁导率在圆周上保持不变,因此在气隙中的电枢磁场磁通密度可以表示:B(,t)=F(,t)0=F0cos(t-p+)(2)根据磁通密度的公式,任意时间和空间谐波次数的磁通密度的旋转速度可以表示:n=n0(3)式中:n0为超导调相机的同步转速。当电枢磁场的旋转速度为同步转速时,即该电枢磁场成分与转子保持相对静止时,阻尼屏蔽层并不会产生涡流来削弱该电枢磁场成分。仅当 时,对应的电枢磁场谐波成分才会在阻尼屏蔽层上感生出涡流。为此,需要通过仿真分析确定电枢磁场的谐波成分的时间和空间分布。1.3 电枢磁场的仿真分析电枢磁场的时间谐波 与超导调相机不同运行工况下的谐波电流分布相关,而电枢磁场的空间谐波 只和超导调相机本身的电磁结构相关,因此首先仿真分析和确定超导调相机电磁结构所带来的电枢磁场空间谐波分布特征。由于电枢中的谐波电流2023 年第 51 卷第 11 期 T 理论研究 heory Research寿佳波等基于3D超导调相机模型的不同阻尼屏蔽结构的性能分析和对比9 并不影响电枢磁场的空间谐波分布,故电枢中通三相正弦电流。相应的超导调相机仿真模型如图 1 所示,为了方便分析,该模型中并没有加入阻尼屏蔽层,且超导励磁绕组设置为 0A 电流源以模拟开路状态。图 1 超导调相机的二维仿真模型仿真得到轴向中央转子超导励磁绕组旁圆周上的电枢磁场磁通密度空间分布,如图 2 所示,图 2 中横坐标 为机械角度。由图 2 可见,电枢磁场磁通密度的空间分布具有良好的正弦性,这意味着可以将电枢磁场在空间上的分布视为正弦,即=1。图 2 电枢磁场磁通密度的空间分布为了仿真分析和验证谐波电流对电枢磁场的时间谐波的影响,除了在电枢绕组中通三相正弦电流外,再通一定的 5 次谐波和 7 次谐波,3 个电流的幅值大小如表 1 所示。表 1 电枢谐波电流幅值谐波次数 157电流幅值 I/A3505020 仿真计算得到轴向中央和端部区域上转子超导励磁绕组旁某一点上的电枢磁场磁通密度时间分布和其傅里叶分解结果,如图 3 和图 4 所示。由磁通密度的时间分布和时间频谱可以确定,不管是在轴向中央的直线段区间还是在端部区间,电枢中的任意谐波电流都将产生对应时间谐波次数的电枢磁场,且这些电枢磁场谐波成分的大小与电枢中的谐波电流大小成正比关系。根据以上结论,只有当电枢绕组中通三相正弦电流时,即时间谐波=1 时,电枢电流所产生的电枢磁场才不会在阻尼屏蔽层中感生出涡流。换而言之,阻尼屏蔽层会对除基波电流以外的所有谐波电流产生的异步磁场产生阻尼抑制作用。图 3 电枢磁场磁通密度的时间分布图 4 电枢磁场磁通密度的时间频谱2 基于3D 仿真模型的不同阻尼屏蔽结构仿真分析2.1 鼠笼式阻尼屏蔽首先对一个具有鼠笼式铜条结构阻尼屏蔽层的超导调相机进行仿真分析。由于二维仿真只能得到一个轴向截面上的电流密度分布结果,且截面只能是超导调相机的非端部区间;同时超导调相机不仅具有较大的电枢端部绕组,还具有较大的半圆形超导励磁端部绕组,因此二维仿真并不适合用来分析阻尼屏蔽层在超导调相机上的作用。与二维仿真相比,三维仿真能更好地反映阻尼屏蔽层上的电流密度分布,同时也能计算得到更加准确的次暂态电抗参数。本文采用三维仿真来分析超导调相机中的阻尼屏蔽层。图 5 为采用鼠笼式铜条阻尼屏蔽层的超导调相机三维模型。图 5 采用铜条阻尼屏蔽的超导调相机T 理论研究 heory Research2023 年第 51 卷第 11 期寿佳波等基于3D超导调相机模型的不同阻尼屏蔽结构的性能分析和对比10 通过三维仿真得到鼠笼式铜条阻尼屏蔽层上的电流密度的大小分布和矢量分布结果,如图 6 和图7 所示。从结果中可以看出:1)电枢磁场在鼠笼式铜条阻尼屏蔽层上感生出的涡流分布具有和磁通密度相同的空间分布特征,即周向空间 2 阶分布,在屏蔽层上的表现为 4 个主要的电流环路,且相邻的 2 个电流环路的电流方向相反。这一点证明了任意谐波电流产生的异步磁场都具有相同的空间分布特征,且该空间分布特征由超导调相机的电磁结构决定,尤其是电枢绕组的分布结构。2)单根导条轴向截面上的电流密度分布并不均匀,铜导条靠近定子电枢绕组的一侧具有更大的电流密度。各个铜导条上的综合电流密度大小则接近正弦变化的规律,由此导致端环上的电流密度大小分布也呈现正弦变化的规律。3)由于端环连接一个电流环路中的多根铜导条,其上电流密度是整个铜导条屏蔽层上最大的。由于端环截面积与导条的截面积相近,端环上的最大电流密度大小是导条上的最大电流密度的近 2倍。因此可以考虑增大端环的截面积来缩小端环上的最大电流密度。图 6 铜导条阻尼屏蔽层上的电流密度大小分布图 7 铜导条阻尼屏蔽层上的电流密度矢量分布为了观察和分析鼠笼式铜导条阻尼屏蔽层上的涡流对电枢磁场的影响,分别仿真了超导调相机轴向中央和端部区域上转子超导励磁绕组旁某一点上的电枢磁场磁通密度时间分布,并对其进行了快速傅里叶分解计算,得到时间波形的频谱,如图 8 和图9 所示。图 8 铜导条屏蔽作用下的电枢磁场磁通密度时间分布图 9 铜导条屏蔽作用下的电枢磁场磁通密度频谱分布相比于没有使用阻尼屏蔽层前的电枢磁场,采用鼠笼式铜导条进行阻尼屏蔽后的电枢磁场具有更小的 5 次谐波和 7 次谐波,这说明了鼠笼式铜导条阻尼屏蔽结构确实拥有异步磁场抑制作用。但铜导条的应用也为电枢磁场带来了更高次数的谐波磁场。和鼠笼式异步电机相似,采用斜槽的方式来安排铜导条可能可以抑制这种高次谐波的产生。同时,虽然铜导条阻尼屏蔽层对端部区域上的电枢磁场的 5 次谐波和 7 次谐波的抑制能力与对轴向中央位置的电枢磁场的 5 次谐波和 7 次谐波的抑制能力相似,但端部区域的高次谐波电枢磁场的含量明显更大。2.2 铜套阻尼屏蔽对一个具有铜套结构阻尼屏蔽层的超导调相机进行仿真分析。同样采用三维仿真,图 10 为采用铜套阻尼屏蔽层的超导调相机三维模型。图 10 采用铜套阻尼屏蔽的超导调相机2023 年第 51 卷第 11 期 T 理论研究 heory Research寿佳波等基于3D超导调相机模型的不同阻尼屏蔽结构的性能分析和对比11 通过三维仿真得到铜套阻尼屏蔽层上的电流密度的大小分布和矢量分布结果,如图 11 和图 12所示。图 11 铜套阻尼屏蔽层上的电流密度大小分布图 12 铜套阻尼屏蔽层上的电流密度矢量分布从结果中可以看出:1)电枢磁场在铜套阻尼屏蔽层上感生出的涡流分布也具有和铜导条阻尼屏蔽层上感生出的涡流分布相同的空间分布特征,即周向空间 2 阶分布,在屏蔽层上的表现为 4 个电流环路,且相邻的 2 个电流环路的电流方向相反。2)与铜导条阻尼屏蔽结构相同,铜套靠近定子电枢绕组的一侧的电流密度更大。且非端部部分的电流密度在圆周上分布满足正弦变化的规律。但不同于铜导线阻尼屏蔽结构,铜套阻尼屏蔽结构的端部区域很大,且受定子电枢绕组的端部影响而不存在正弦变化的规律。3)电枢绕组电流在绕组端部产生的磁场同样也会在铜套阻尼屏蔽层上感生出涡流,且涡流的分布主要集中在距离电枢端部绕组更近的区域,因此也形成了类似于斜槽的分布特征。同时,由于铜套阻尼屏蔽层的最外层上分布的涡流很小,因此可以考虑缩小铜套的轴向长度,在保证铜套阻尼屏蔽效果的基础上减少铜的使用量。为了观察和分析铜套阻尼屏蔽层上的涡流对电枢磁场的影响,分别仿真了超导调相机轴向中央和端部区域上转子超导励磁绕组旁某一点上的电枢磁场磁通密度时间分布,并对其进行了快速傅里叶分解计算,得到时间波形的频谱,如图 13 和图 14 所示。图 13 铜套屏蔽作用下的电枢磁场磁通密度时间分布图 14 铜套屏蔽作用下的电枢磁场磁通密度频谱分布由仿真结果可知,采用铜套进行阻尼屏蔽基本抑制了电枢磁场的 7 次谐波,且电枢磁场的 5 次谐波也被抑制到一个很小的水平,这说明了铜套阻尼屏蔽结构拥有很强的异步磁场抑制作用。同时,铜套阻尼屏蔽层对端部区域上的电枢磁场的 5 次谐波的抑制能力比对轴向中央位置的电枢磁场的 5 次谐波的抑制能力要弱。3 不同阻尼屏蔽结构的性能对比3.1 电枢磁场谐波成分抑制能力首先对比鼠笼式铜导条阻尼屏蔽结构和铜套阻尼屏蔽结构的异步磁场抑制能力。由于只通过波形和频谱难以直接表达电枢磁场的谐波相对含量,因此通过计算总谐波失真率 THD 来对比两种结构的电枢磁场谐波抑制能力。表 2 为无阻尼屏蔽结构、鼠笼式铜导条阻尼屏蔽结构和铜套阻尼屏蔽结构下超导调相机不同轴向位置的电枢磁场磁通密度的 THD 计算结果。表 2 电枢磁场磁通密度的总谐波失真率轴向位置中央端部方向径向切向径向切向无阻尼屏蔽15.387%15.389%15.654%15.434%鼠笼式铜导条阻尼屏蔽6.504%6.189%10.771%11.336%铜套阻尼屏蔽1.011%1.187%4.935%3.581%T 理论研究 heory Research2023 年第 51 卷第 11 期寿佳波等基于3D超导调相机模型的不同阻尼屏蔽结构的性能分析和对比12 由计算结果可以得出以下结论:1)不管是在轴向直线段区间还是在端部区间,铜套阻尼屏蔽结构对异步电枢磁场的抑制作用均比鼠笼式铜导条阻尼屏蔽结构强。2)不管是鼠笼式铜导条阻尼屏蔽结构还是铜套阻尼屏蔽结构,对轴向直线段区间的异步电枢磁场的抑制效果都比端部区间的异步电枢磁场的抑制效果更好。3)对于鼠笼式铜导条阻尼屏蔽结构,其在直线段上对切向异步电枢磁场的抑制作用比径向异步电枢磁场的抑制作用更好,但在端部区间对径向异步电枢磁场的抑制作用比切向异步电枢磁场的抑制作用更好。而铜套阻尼屏蔽结构的规律则刚好相反。整体而言,虽然铜套阻尼屏蔽结构的铜材料使用量比鼠笼式铜导条阻尼屏蔽结构多很多,但铜套阻尼屏蔽结构的异步电枢磁场抑制能力要好很多。在采用了铜套阻尼屏蔽结构后,电枢磁场的异步成分被限制在了 1%左右,这意味着超导励磁绕组发生失超故障的可能性非常低。由于超导调相机的成本基本集中在转子超导励磁绕组上,阻尼屏蔽结构的调整对整机的成本变化微乎其微,因此在超导调相机中采用铜套阻尼屏蔽结构更加合适,且可以通过调整铜套的厚度和层数来进一步改善铜套的电磁阻尼作用。3.2 阻尼屏蔽层的稳态涡流损耗阻尼屏蔽层是通过感生出局部涡流来抑制超导励磁绕组周围的气隙磁场的,因此在阻尼屏蔽层上也会产生由涡流引发的损耗发热。考虑到部分超导励磁同步电机会将阻尼屏蔽层放置在杜瓦内部,阻尼屏蔽层上产生的涡流发热会影响到杜瓦内液氮或氦气的冷却效果,进而影响超导励磁绕组的稳定运行。本文仿真计算了两种不同阻尼屏蔽层的涡流损耗,相应的结果如表 3 所示。表 3 不同阻尼屏蔽结构的稳态运行损耗损耗鼠笼式铜导条阻尼屏蔽 铜套阻尼屏蔽最大损耗密度 pmax/(kW m-3)3 156.2142.88最大瞬时损耗 pimax/kW3.331.29平均瞬时损耗 piave/kW2.040.81 由计算结果可得到以下结论:1)由于鼠笼式铜导条阻尼屏蔽结构的电流环路截面很小,使得其电流密度更高,进而导致其涡流损耗密度比铜套阻尼屏蔽结构高出很多。由于鼠笼式铜导条阻尼屏蔽结构的体积较小,其整体的涡流损耗与铜套阻尼屏蔽结构的涡流损耗处于同一量级,但依旧是铜套阻尼屏蔽结构的涡流损耗的 2 倍多。2)根据仿真计算得到的铜套阻尼屏蔽层电流密度分布情况,可知其损耗在铜套上会出现集中分布。如果将阻尼屏蔽层放置在杜瓦内部,总共 1 kW的涡流发热损耗会给冷却系统带来一定的负担。但对于大容量同步电机所采用的冷却系统来说,铜套阻尼屏蔽的涡流损耗并不会影响到冷却系统对超导励磁绕组的冷却效果。经过仿真计算和对比,可以确定在涡流损耗方面,铜套阻尼屏蔽结构产生的涡流损耗比鼠笼式铜导条阻尼屏蔽结构的涡流损耗更小,更适合应用于超导励磁同步调相机中。同时铜套阻尼屏蔽层的总损耗对于冷却系统而言处于可控范围内,不会在热方面影响到超导励磁绕组的正常运行。3.3 阻尼屏蔽层对超导调相机暂态性能的影响虽然在超导调相机中采用阻尼屏蔽层的初衷是为了减小电枢电流在转子超导励磁绕组上产生的交变磁场,以保护转子超导励磁绕组不会在交变磁场下产生过大的局部涡流发热,减小其失超的可能性。但由于阻尼屏蔽结构采用导电的铜等材料,这些导电结构必然会和其他导电结构如转子超导励磁绕组和定子电枢绕组产生互感,进而影响超导调相机的运行特性。当超导调相机运行在稳定工作状态时,阻尼屏蔽结构只产生针对异步电枢磁场的涡流,并不影响超导调相机的稳态运行。但在非稳定工作状态下,比如起动、升速、降速以及一些短路故障状态下,阻尼屏蔽结构会对超导调相机的暂态性能产生影响,这种影响也被归结为次暂态同步电抗。本文分别对采用了鼠笼式铜导条阻尼屏蔽结构和铜套阻尼屏蔽结构的超导调相机的次暂态电抗进行了分析和计算,相应的计算结果如表 4 所示。表 4 不同阻尼屏蔽结构下超导调相机的次暂态电抗屏蔽结构次暂态电感 L/mH次暂态电抗标幺值 L鼠笼式铜导条阻尼屏蔽21.100.008 12铜套阻尼屏蔽17.830.006 86 计算结果表明,采用铜套阻尼屏蔽结构的超导调相机具有更小的次暂态电抗,这意味着采用铜套阻尼屏蔽结构的超导调相机具有更好的静态稳定能力,能够更好地应对电力系统中的小扰动。为了对比两种结构的暂态稳定能力,分别仿真计算并对比采用两种不同阻尼屏蔽结构的超导调相机在短路故障工况下的相电流波形。考虑到在电力系统的短路故障中单相接地短路较为常见,因此仿真计算三相 Y 连接且中性点不接地的超导调相机在恒转速下的单相接地短路故障电流波形。仿真计2023 年第 51 卷第 11 期 T 理论研究 heory Research寿佳波等基于3D超导调相机模型的不同阻尼屏蔽结构的性能分析和对比13 算结果如图 15 和图 16 所示。图 15 铜套阻尼屏蔽结构下的短路故障电流图 16 铜导条阻尼屏蔽结构下的短路故障电流比较两种阻尼屏蔽结构下超导调相机的单相接地短路三相电流波形,可以发现,采用铜套阻尼屏蔽结构的超导调相机在单相接地短路故障过程中具有更大的短路电流,而两种阻尼屏蔽结构下的三相短路电流进入稳态所需的时间基本相同。该结果表明,阻尼屏蔽结构所产生的次暂态电抗对短路故障下的电流大小影响较大,次暂态电抗越小,短路电流则越大。但不同阻尼屏蔽结构对短路电流进入稳态的时间影响较小,也可以认为是对各项次暂态时间常数的影响较小。综上所述,采用铜套阻尼屏蔽结构的超导调相机具有更好的异步电枢磁场抑制能力,能更好地保护转子超导励磁绕组。同时其具有更小的次暂态电抗,具有更好的静态稳定能力,但也导致其短路故障下的短路电流更大。3.4 三相不平衡短路故障下的阻尼保护作用对于同步调相机而言,其发生的短路故障大多为三相不平衡的短路故障,即单相短路故障和两相短路故障。而三相不平衡的短路电流会在气隙和超导励磁绕组附近产生的非常大的异步电枢磁场,此时如果没有阻尼屏蔽层的保护,则超导励磁绕组会产生非常大的反电动势,直接影响超导调相机的励磁系统的运行安全,因此需要分析三相不平衡短路故障下的阻尼保护能力。图 17 为中性点接地 Y 形连接电枢绕组单相短路故障下的超导励磁绕组感应电动势波形。图 17 单相短路故障下的超导励磁绕组感应电动势由仿真计算结果可知:1)相比于没有阻尼屏蔽层的情况,存在阻尼屏蔽层时超导励磁绕组在单相短路故障下的感应电动势明显小很多。由于同步电机的转子励磁采用直流电,需要将交流电从网侧经变压器和整流器转换成直流电,过高的励磁绕组感应电动势显然会击穿励磁系统中的电力电子器件,因此阻尼屏蔽层的保护作用是必不可少的。2)对比两种不同阻尼屏蔽结构的超导励磁绕组感应电动势波形,不难发现,铜套的保护作用比鼠笼式铜导条的保护作用强很多。但铜套保护下的近8 kV 的感应电动势依旧会对超导励磁系统的安全运行产生影响,因此还需要考虑增大铜套的厚度或者增加铜套的层数。4 结 语本文对不同结构的超导调相机阻尼屏蔽层进行了三维仿真分析,并对比了采用不同阻尼屏蔽结构下的超导调相机的相关性能,最终得到以下结论:1)采用气隙电枢的超导调相机所产生的电枢磁场在空间上具有良好的正弦性,超导调相机的阻尼屏蔽结构主要针对电枢谐波电流产生的异步磁场产生抑制作用。2)根据三维仿真结果,铜套阻尼屏蔽结构比鼠笼式铜导条阻尼屏蔽结构具有更好的异步电枢磁场抑制能力和更小的涡流损耗。出于保护转子超导励T 理论研究 heory Research2023 年第 51 卷第 11 期寿佳波等基于3D超导调相机模型的不同阻尼屏蔽结构的性能分析和对比14 磁绕组的目的,超导调相机对异步电枢磁场很敏感,因此在超导调相机中更适合采用铜套阻尼屏蔽结构。同时还可以考虑调整铜套阻尼屏蔽层的轴向长度和厚度,一方面尽量减少铜材料的使用量,另一方面尽可能减小电流密度,减小铜套上的涡流损耗。3)通过三维仿真计算得到两种阻尼屏蔽结构下超导调相机的次暂态电抗和单相接地短路故障下的三相电流波形,结果表明,采用铜套阻尼屏蔽结构的超导调相机具有更小的次暂态电抗,使其具有更好的静态稳定能力,但也导致其短路故障下的短路电流更大。同时仿真分析了单相接地短路故障下的超导励磁绕组反电动势,结果表明,阻尼屏蔽层具有很好的抑制三相不平衡短路故障下超导励磁绕组反电动势的能力,其中铜套阻尼屏蔽层的保护效果更佳,但依旧不足以保证超导励磁系统的安全运行,需要考虑增加阻尼层的厚度或层数。参考文献 1 YAN L,XINSHOU T,JIANZU H,et al.Research on reactive power planning technology of power grid containing UHVDC system with high proportion of renewable energy integrationC/2020 IEEE International Conference on High Voltage Engineering and Application(ICHVE),Beijing,China,2020:1-4.2 GLENDE E,WOLTER M.Extra long distance ultra high voltage direct currentC/2022 IEEE 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