超導直流限流器的互動展示系統研究

李俊松

（廣東電網有限責任公司汕頭供電局，廣東汕頭 515041）

柔性直流技術利用的IGBT 元件可關斷特性，對有功和無功功率進行獨立控制，并執行四象限變流器的運動。它在弱電、孤島供電、分布式電力和可再生電網接入、異步交流電網絡和城市供電等領域得到了廣泛地研究和應用。此外，換流器產生的諧波水平非常小，因此不需要特殊的濾波器配置，在城市、島嶼和海上平臺方面具有巨大優勢。目前，多電平大型直流輸電系統正朝著高壓、大容量和多端系統方向發展。

超導限流器基于超導技術的發展，利用軟磁材料磁導率的非線性變化規律，它在正常系統運行時表現出超導特性，在系統無法限制短路電流時表現出高強度特性。超導直流限制器具有限流性能好、響應速度快、可靠性高等獨特而優越的性能，在柔性直流系統的開發和應用中發揮著重要作用。由于我國電網規模的增大，電網級聯程度加深，我國擁有世界上最復雜的交直流電網拓撲結構，因此我國的高壓直流輸電亟需得到快速發展，也為超導直流限流器等一次設備的示范運行提供了基礎。

目前，南方電網研制了160 kV 超導直流限流器樣機并應用于南澳柔性直流輸電示范工程。作為首臺160 kV 超導直流限流器，建成后為了讓更多人認識此項新技術，有必要設計一種簡單易懂、有趣味性的展示方法和裝置。

傳統的展覽只是讓觀眾用眼睛看，難以給觀眾留下深刻的印象，利用市場上成熟的VR 技術，通過聲音和體感可以讓觀眾沉浸在被展示的信息中，是一種較好的方法。

1 超導直流限流器互動展示方法

超導直流限流器互動展示方法分為S1、S2、S3和S4四個步驟。

1.1 建立直流超導限流器3D模型

步驟S1為建立具有動畫效果的直流超導限流器3D 模型，對限流器關鍵部件限流單元、低溫容器、出線單元和制冷系統分項建模，模型緩存在儲存裝置中。

限流單元由液氮包裹放置于低溫容器，以實現超導裝置的正常運行，為了實現低溫容器的展示效果，將低溫容器模型設置為開口或半透明形式。在限流單元處于限流狀態時，液氮由于短路大電流的熱效應蒸發為氣態，之后氣態的氮被導入到制冷系統，利用制冷機和水冷系統重新液化進入低溫容器。工作中液氮會逐漸蒸發為氣體，之后被導入到制冷系統中的換熱器，并在制冷機和水冷機組的作用下，重新液化充入低溫容器再次利用。

1.2 通過顯示屏或VR設備觀看模型

步驟S2為參觀訪問人員通過顯示屏或者頭戴式VR 設備觀看模型，系統識別參觀訪問人員的屏幕觸摸動作或VR 設備的體感動作實現觀察視角和對象的選擇。

對于被觀察對象，可以通過觸摸顯示屏和控制手柄點擊“放大”“縮小”按鈕或者在觸摸顯示屏兩指滑動實現縮放大小，在觸摸顯示屏上通過單指滑動可以旋轉觀察對象的視角，如果參觀訪問人員使用頭戴顯示器，顯示器內部的陀螺儀可以感知參觀訪問人員轉動頭部的動作，觀察對象在屏幕中旋轉同樣的角度。

參觀訪問人員通過頭戴式顯示器觀察時，將觀察對象固定于現實空間的某一位置，參觀訪問人員站立于某一起始位置，戴式顯示器內置的陀螺儀和加速度感應器感知參觀訪問人員的位置和角度作為輸入量，算法可以根據幾何關系將輸入量轉換為顯示輸出的觀察對象的大小和角度變化。

1.3 解說觀察對象

步驟S3為解說觀察對象情況，參觀訪問人員選定某一觀察對象后，停留時間超過5s，則自動顯示解說文本，如果參觀訪問人員使用VR 設備，則自動通過耳機播放語音解說。參觀訪問人員可以聽到柔性直流輸電技術的發展和應用前景：靈活高效的直流技術尤其是柔性直流技術，被認為是未來電力系統發展的一次重要革命。直流電網將以直流形式互聯組成電能傳輸系統，實現新能源的平滑接入、有功和無功功率的獨立控制、全局功率的調節互濟等；直流電網在抵御故障方面面臨重大挑戰：直流系統故障阻尼小，發生故障時短路電流會在幾毫秒內達到額定電流的數十倍的過流水平；直流保護和斷路器的動作速度無法適應直流系統故障隔離需求；超導故障限流器的研究價值和研究進展，超導限流器分為電阻型超導限流器和電感型超導限流器；南澳超導限流器的亮點，這臺歷時三年研制的超導直流限流器實現了100%自主研發，形成了包括“高性能雙面封裝帶材”“高耐壓跨溫區高壓套管”等在內的多項創新技術亮點，申請了超過60個發明專利，搶占了超導電力裝備制造和應用的全球制高點。

1.4 模擬故障發生

步驟S4為模擬短路故障發生情況，在參觀訪問人員完成步驟S1～S3后，在屏幕顯示“模擬故障發生按鈕”，提示參觀訪問人員通過觸摸或者體感動作點擊該按鈕后，展示直流系統發生故障后限流器工作的動態過程。發生短路故障后，液氮迅速液化放熱，超導線材失去超導態，等效電阻上升以限制短路電流上升速度和峰值。參觀訪問人員可以觀看到此時的短路電流峰值更小，上升速度更緩慢。

參觀訪問人員可以通過屏幕點擊和控制手柄點擊來控制模擬故障的發生，并可以選擇不同檔位的故障電流大小，故障電流低于超導體臨界值時超導體不會進入非超導態，大于臨界值則進入非超導態，3D 模型將對不同的故障電流大小呈現不同的動畫效果，并通過限流單元的顏色來展示其超導態與非超導態，其中綠色表示超導態，用紅色表示非超導態；步驟S1所述限流單元有2個，參觀訪問人員可以切換其連接狀態為并聯或串聯，動畫將會展示不同的工作狀態。

由于在實際中限流器的工作過程在100 ns 內，肉眼來不及觀察，因此展示的是慢放的過程，用10 s 的時間來展示100 ns 的過程，參觀訪問人員“模擬故障發生按鈕”后顯示時間進度，既能讓參觀訪問人員細致觀察整個過程，又可以體會過程的迅速。

2 超導直流限流器3D模型

圖1為限流器3D 模型的示意圖，主要包括超導限流單元、低溫容器、制冷系統、出線單元等部件。低溫容器為一圓柱體殼狀結構，限流單元置于低溫容器內部并浸沒在液氮中，通過將低溫容器模型設置開口或設置為半透明以展示內部的限流單元。工作中液氮會逐漸蒸發為氣體，之后被導入到制冷系統中換熱器，并在制冷機和水冷機組的作用下，重新液化充入低溫容器，液氮的循環過程在展示中使用箭頭表示方向，顏色表示狀態，紅色為氣態，綠色為液態。

圖1 超導直流限流器3D模型

超導直流限流器在正常態的等效電阻極小，需要利用高溫超導材料在臨界溫度下的超導特性實現?，F在常用釔鋇銅氧（YBCO）和鉍鍶鈣銅氧（BSCCO）作為超導帶材應用于各種電壓等級場合，這兩種材料可以在價格較低的液氮環境中使用，提升了直流限流器的經濟性。因此，制冷系統對超導直流限流器非常關鍵，制冷設備既能實現超導限流器正常態的零電阻，又能解決超導限流器通態損耗大的問題。

低溫容器為一圓柱體密封容器罐。限流單元為超導材料繞制的線圈，放置于所述的低溫容器內部，通過將低溫容器模型設置開口或設置為半透明以展示內部的限流單元。制冷系統包括換熱器、制冷機和水冷機組，通過顏色來展示冷熱交換過程，較冷一端為藍色，較熱一端為橙色。出線單元為固定于低溫容器外殼，與低溫容器內部的限流單元連接的柱狀體。

3 超導直流限流器展示裝置

文章提出一套互動展示裝置，由路由器、終端電腦、觸摸顯示器和VR 設備組成，VR 設備包含頭戴顯示器和控制手柄，如圖2所示。

圖2 超導直流限流器展示裝置

終端電腦由處理器、存儲器、顯示屏幕等硬件組成，包含存儲在所述存儲器中且被配置為由所述處理器執行的計算機軟件，設計軟件能執行如上述任一項所述的互動展示方法。

存儲器主要包括程序存儲區和數據存儲區。其中，程序存儲區可存儲操作系統、至少一個功能所需的應用程序等，數據存儲區可存儲相關數據等。存儲器可以是高速隨機存取存儲器，還可以是非易失性存儲器，如機械硬盤和固態硬盤等非易失性存儲器件。

上述終端電腦完成對3D 模型的圖形計算并通過有線連接輸出到觸摸顯示器。終端電腦通過網線連接到路由器，路由器支持無線局域網功能，頭戴式顯示器和控制手柄接入無線局域網后，終端電腦可以將畫面通過無線局域網傳輸到頭戴顯示器，也可以接收控制手柄的控制信號。

4 結論

提出的超導直流限流器的3D 模型包括限流器的限流單元、低溫容器、出線單元、制冷系統?；诱故鞠到y帶有講解功能，在參觀者選定觀察目標后可以通過文字和語音加以介紹。超導直流限流器的互動展示系統可以有效且具體地向參觀者展示超導限流器。