超導(dǎo)故障限流器smcl在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

超導(dǎo)故障限流器smcl在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

0超聲故障限流器

隨著電網(wǎng)容量的增加，我國電網(wǎng)系統(tǒng)短路電流的水平不斷提高。據(jù)國家發(fā)改委統(tǒng)計，截至

2004年底，中國發(fā)電裝機容量達(dá)到440GW,居世界第2。目前電網(wǎng)中有些節(jié)點的短路電流水

平已經(jīng)超過50kAo到2020年，上海一些500kV變電所的短路電流將＞63kA。當(dāng)短路電流

超過斷路器的開斷能力后，斷路器無法有效切除短路故障,這將對電力系統(tǒng)穩(wěn)定造成很大威

脅。針對這個問題，超導(dǎo)故障限流器(superconductingfaultcurrentlimiter,SFCL)就

應(yīng)運而生了。

目前，國內(nèi)外對超導(dǎo)故障限流器(SFCL)的研究一經(jīng)進(jìn)入高速發(fā)展時期,我國中科院電工所采

用Bi2223超導(dǎo)材料研制的10.5kV/1.5kA的三相橋路型SFCL已經(jīng)試驗完畢。國內(nèi)外已

研制完成的SFCL種類較多，其關(guān)鍵技術(shù)在限流水平設(shè)置、繼電器和繼電保護(hù)的協(xié)調(diào)動作以

及限流后系統(tǒng)恢復(fù)等方面，

經(jīng)過埋論和仿真實驗得出，電力系統(tǒng)中合埋引入SFCL可以提高供電的可靠性和系統(tǒng)的安全

性與穩(wěn)定性，但是SFCL阻抗的變化特性會在系統(tǒng)中產(chǎn)生協(xié)調(diào)運行的問題。因此本文根據(jù)

SFCL引入系統(tǒng)不同位置分別研究了其對電力系統(tǒng)自動重合閘和繼電保護(hù)裝置的影響，并且

針對部分影響給出了解決辦法。

1不帶鐵心的滑移態(tài)

SFCL是利用超導(dǎo)材料的超導(dǎo)態(tài)/正常態(tài)(S/N)轉(zhuǎn)變特性和無阻高密度載流特性及一些輔助部

件來實現(xiàn)限流的系統(tǒng)設(shè)備,SFCL在正常運行時表現(xiàn)為零阻抗或極小阻抗,幾乎能無損耗地

通過額定電流，故障時可以在幾ins內(nèi)作出反應(yīng)，并產(chǎn)生一個適當(dāng)?shù)淖杩?把短路電流限制在

允許范圍。

目前,SFCL已經(jīng)有許多類型，見圖1,根據(jù)結(jié)構(gòu)特點可分為電阻型、橋路型、磁屏蔽型、飽

和鐵心電抗器型、變壓器型、三相電抗器型等，前兩種不帶鐵心，后幾種帶有鐵心;按照不

同的限流方式，可分為電阻型、電感型以及電阻-電感型;此外,根據(jù)是否利用超導(dǎo)體的失超

特性限流，又可分為失超型和不失超型。

當(dāng)故障電流超過SFCL的列作電流時，失超型SFCL利用超導(dǎo)體從超導(dǎo)態(tài)到正常態(tài)阻抗急劇

變化的特性進(jìn)入高阻狀態(tài)并維持恒定；不失超型SFCL則利用輔助電路使阻抗隨著線路電流

的周期性變化在高阻與低阻狀態(tài)之間切換。在超導(dǎo)體由正常態(tài)恢復(fù)到超導(dǎo)態(tài)方面，失超型

SFCL需要較長的時間，如電阻型SFCL,其失超恢復(fù)時間最長可達(dá)10s;不失超型SFCL的超導(dǎo)

線圈是自動投入或退出限流狀態(tài),主要有兩種類型:飽和鐵心電抗器型和橋路型。飽和鐵心

電抗器型SFCL在故障后的限流期間內(nèi)超導(dǎo)線圈不會失超，具有多次自啟動的能力；橋路型

SFCL能夠在0.5s內(nèi)從第2次故障中恢復(fù)。由此可以看出不失超型SFCL基本不存在失超恢

復(fù)問題，但其阻抗的變化特性會影響繼電保護(hù)裝置的正確動作和系統(tǒng)的安全運行。圖2所

示為不失超型SECL阻抗隨線路電流變化的波形,設(shè)SECL由低阻狀態(tài)向高阻狀態(tài)轉(zhuǎn)變的臨

界線路電流為動作電流I。,SECL的阻抗值ZSFCL=RSFCL巧XSFCL。

2發(fā)電機端保護(hù)電

為了能夠有效降低系統(tǒng)短路電流水平,SFCL主要安裝在以下3個位置，見圖3:

1）發(fā)電機、主變壓器支路，保護(hù)發(fā)電機端母線和主變壓器。

2）饋電線路，限制各條饋線支路的短路電流。

3）母線聯(lián)絡(luò)線,用來限制2個系統(tǒng)母線短路電流水平，并能維持母線電壓。

3合間裝置運行故障

電力系統(tǒng)中，大多數(shù)送電線路的故障為瞬時性故障。在線路被斷開以后再進(jìn)行一次合間，就

有可能大大提高供電的可靠性。為此電力系統(tǒng)中采用了自動重合閘，即當(dāng)斷路器跳閘之后，

能夠自動地將斷路器重新合閘的裝置。為了能夠更好的發(fā)揮重合閘的作用，重合閘一般都

要與繼電保護(hù)裝置和斷路器配合。根據(jù)我國一些電力系統(tǒng)的運行經(jīng)驗,重合閘的動作時限

采用1s左右的時間較為合適。圖4為某系統(tǒng)重合閘裝置工作情況,設(shè)線路L1發(fā)生永久故

障，斷路器立即斷開,延遲0.5s重合閘裝置自動合閘，合閘不成功再次斷開,延遲15s再次

合閘，合閘不成功發(fā)閉鎖信號。

一些文獻(xiàn)仿真實驗表明電力系統(tǒng)中合理引入SFCL可以提高供電可靠性和系統(tǒng)的安全性與

穩(wěn)定性，但是由于SFCL存在阻抗變化特性和失超恢復(fù)時間的問題，系統(tǒng)中不同位置安裝

SFCL會對電力系統(tǒng)自動重合閘和繼電保護(hù)裝置產(chǎn)生不同影響。

3.1減少損耗對變壓器的危害

安裝在發(fā)電機支路的SFCL,能夠降低發(fā)電機端發(fā)生故障時的短路電流，保護(hù)發(fā)電機端岸線；

安裝在主變壓器支路的SFCL能夠保證在不更換斷路器的條件下使用更大容量的變壓器,并

能減少各種損耗對變壓器的危害。

發(fā)電機的安全運行對保證電力系統(tǒng)的正常工作起決定性作用，同時發(fā)電機本身也是十分貴

重的電氣設(shè)備。一般情況下，發(fā)電機裝設(shè)有完善的繼電保護(hù)裝置:縱差動保護(hù)、橫差動保護(hù)、

瓦斯保護(hù)、定子繞組單相接地保護(hù)、后備保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)以及失磁保護(hù)等。因此發(fā)電機

端裝設(shè)SFCL會影響這些保護(hù)裝置,應(yīng)重新整定這些保護(hù)裝置。但是，失超型SFCL不僅能夠

短時限制機端的故障電流:而且故障后在其失超恢復(fù)過程內(nèi)仍存在的高阻抗還可以起到制

動電阻的作用，提高了電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

3.2傳輸連接線和連接線

3.2.1抗繼電器整定值的確定

對于裝設(shè)距離保護(hù)的饋電線路,SFC1.的失超恢復(fù)時間不會對重合閘產(chǎn)生影響,但其限流期間

內(nèi)阻抗的變化會對保護(hù)所在處測量阻抗有影響。圖5為方向阻抗繼電器和自動重合閘裝置

的網(wǎng)絡(luò)接線圖，圖中YH為電壓互感器;LH為電流互感器;ZCH為自動重合閘裝置。圖6為加

入SFCL前后方向阻抗繼電器的動作特性。圖中Zzd為整定阻抗,ZJ為測量阻抗,ZSFCL為

SFCL的限流阻抗。圖6(a)示出方向阻抗繼電器能夠后動(即測量阻抗ZL位于特性圓內(nèi))的

條件為：

|ZJ-12Zzd|^|12Zzd|>(1)||ZJ-12Zzd||W|I12Zzd||.(1)

故障發(fā)生后,SFCL的限流阻抗ZSFCL會串入故障回路,破壞了原來線路的固有阻抗特性。圖

6(b)示出，加入SFCL后,原本在特性圓內(nèi)的測量阻抗ZJ可能變?yōu)閳A外的測量阻抗VJ,這

將導(dǎo)致方向阻抗繼電器檢測不到圓內(nèi)的故障而使得保護(hù)失靈。因此在SFCL接入系統(tǒng)前需

要根據(jù)其參數(shù)重新整定繼電器整定阻抗Zzd的值,距離保護(hù)第I段的整定值應(yīng)修改為：

Z'zd=Zzd+ZSFCLo(2)

這樣串入SFCL后的測量阻抗Z'J就落在新的整定阻抗Z'zd的特性圓內(nèi)，當(dāng)出現(xiàn)故障時

繼電器能夠迅速正常動作而不會保護(hù)失靈。

3.2.2自動控制合同時間

SFCL的變化特性對線路電流的波形和幅度也會產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)電源電勢一定時,三相

短路電流可表示為：

Id=EOZSo(3)

式中,E<D為系統(tǒng)等效相電勢;ZE為保護(hù)點到系統(tǒng)等效電源之間的阻抗。串入SFCL后短路

電流變?yōu)椋?/p>

I'd=E(DZS+ZSFCL.(4)

當(dāng)發(fā)生故障時，由于SFCL限流阻抗的影響使得短路電流減小，電流保護(hù)有可能會因為線路

電流小于其動作電流而導(dǎo)致保護(hù)失靈。同理,在投入使用SFCL前需要重新整定電流保護(hù)，

電流I段保護(hù)起動電流應(yīng)該按照式⑷引入SFCL后短路電流I，d進(jìn)行整定。當(dāng)故障切除

后,重合閘裝置也會受到SFCL的一些影響，分述為下：

1)若線路發(fā)生不對稱故障,SFCL快速變?yōu)楦咦钁B(tài)接入線路中，限制了短路電流的增長。但是

失超型SFCL在失超恢復(fù)期間形成的不對稱高阻而引起的三相電壓不平衡會使得重合間不

成功，如電阻型SFCL,需采用兩套互為備用以滿足自動重合閘的要求。

圖7所示為系統(tǒng)發(fā)生單相(A相)短路故障電阻型SFCL自動投入。由于其失超恢復(fù)時間(最

長大約10s)大于自動重合閘的合閘時間，當(dāng)重合閘啟動時A相中仍然存在SECL的高阻抗，

這會導(dǎo)致三相阻抗不相等,使得系統(tǒng)三相電壓不平衡。當(dāng)三相不平衡系統(tǒng)中負(fù)序、零序分

量偏大，就會導(dǎo)致一時作用于負(fù)序、零序電流的保護(hù)和自動裝置誤動作，威脅電力系統(tǒng)的安

全運行。

2）若線路發(fā)生三相對稱短路故障,失超型SFCL的恢復(fù)時間不僅不會影響成功進(jìn)行重合閘，

而且這段恢復(fù)時間還有一些有利的方面。

（a）重合時由于SFCL的存在，使得系統(tǒng)受到永久故障的再次沖擊減小,有利于系統(tǒng)穩(wěn)定。

（b）由于SFCL的存在,重合沖擊電流減小,有利于保護(hù)高壓線路的絕緣。

3）對于橋路型SFCL,由于它采用了速度快的半導(dǎo)體功率開關(guān)和靈活的控制模式,因此可以

實現(xiàn)軟自動重合閘。當(dāng)繼電保護(hù)裝置發(fā)出重合閘指令時，橋路就可按控制角大于90°投入

工作，然后逐漸減小控制角，使得線路上的電流按照可控的方式緩慢上升。如果重合于永久

性故障,橋路則會重新工作于逆變狀態(tài),切斷電網(wǎng)回路以防止系統(tǒng)受到再次沖擊;如果宣合

閘成功,則觸發(fā)全部開關(guān)管,進(jìn)入穩(wěn)定運行狀態(tài)。

3.2.3高須封閉保護(hù)

高頻保護(hù)的原理是反應(yīng)被保護(hù)線路首末兩端電流的差或功率方向信號，用高頻載波將信號

傳輸?shù)綄?cè)加以比較而決定保護(hù)是否動作，其影響為：

1）對高頻閉鎖距離保護(hù)的影響。在高頻閉鎖距離保護(hù)中,作為停訊元件的阻抗繼電器，同樣

也會受到SFCL的影響,其影響與對距離保護(hù)的影響相似,因此對其整定時應(yīng)在不影響動作

選擇性的基礎(chǔ)上,增大其整定值以配合SFCL的出現(xiàn)。

2）對高頻閉鎖負(fù)序方向保護(hù)的影響。高頻閉鎖負(fù)序方向保護(hù)可以反應(yīng)于各種不對稱短路，

當(dāng)發(fā)生不對稱故障時，SFCL的失超恢復(fù)時間同樣會影響高頻閉鎖負(fù)序方向保護(hù)的動作速度。

4繼電保護(hù)和自動重合間裝置

電力系統(tǒng)中裝設(shè)SFCL在改善系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定