陳麗萍，余欣梅，鐘杰峰，孫景強(qiáng)，簡(jiǎn)翔浩

（廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州 510663）

隨著電力需求不斷增長(zhǎng)和供電質(zhì)量要求不斷提高，輸、配電網(wǎng)規(guī)模日益擴(kuò)大，電網(wǎng)互聯(lián)程度越來(lái)越高，但同時(shí)由于電網(wǎng)容量增加和互聯(lián)程度提高之后，電網(wǎng)的短路阻抗越來(lái)越小，使得電網(wǎng)的故障短路電流水平增大。短路電流成為目前困擾電力系統(tǒng)的重大難題之一，它嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全性和可靠性。

廣東500 kV電網(wǎng)短路電流整體水平逐年迅速增長(zhǎng)，珠三角地區(qū)短路電流問(wèn)題更加突出[1]。為降低500 kV短路電流水平，廣東電網(wǎng)采取解開內(nèi)環(huán)網(wǎng)運(yùn)行、500 kV線路斷開運(yùn)行、出串或站外跳通運(yùn)行等措施降低短路電流水平[2-3]。然而上述措施均會(huì)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)影響，一定程度上降低了電網(wǎng)運(yùn)行的靈活性[4]。隨著超導(dǎo)技術(shù)的逐步成熟，高溫超導(dǎo)限流器技術(shù)已進(jìn)入實(shí)用化階段，為有效限制短路電流，減輕斷路器等各種電氣設(shè)備負(fù)擔(dān)，提高電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性，有必要考慮在廣東電網(wǎng)中應(yīng)用500 kV超導(dǎo)限流器等限制短路電流新技術(shù)[5-6]。

1 廣東規(guī)劃電網(wǎng)短路電流分析

“十二五”期間，廣東珠三角500 kV電網(wǎng)，在2010年內(nèi)外雙環(huán)網(wǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，自內(nèi)向外、自西向東形成較完整的內(nèi)外雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)[7]：

1）內(nèi)環(huán)。廣南—江門—西江—羅洞—北郊—增城—穗東—橫瀝—東縱—大亞灣—寶安—鵬城—紫荊—沙角電廠—獅洋—廣南雙回路環(huán)網(wǎng)。

2）外環(huán)。獅洋—恩平—五邑—蝶嶺—滄江—硯都—玉城—東坡—花都—汾水換流站—博羅—福園—東莞—鯤鵬—嶺澳核電站環(huán)網(wǎng)。

內(nèi)外環(huán)之間分別通過(guò)廣南—獅洋雙回、硯都—西江雙回、博羅—橫瀝雙回路聯(lián)系，形成多個(gè)閉環(huán)的雙回路環(huán)網(wǎng)，500 kV主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，短路電流水平有所提高?？紤]全合環(huán)運(yùn)行方案時(shí)廣東全網(wǎng)500 kV短路電流水平過(guò)高，需采取降低短路電流水平措施以滿足電網(wǎng)安全運(yùn)行要求?！笆濉逼陂g，為降低500 kV短路電流水平所采取的措施主要為

1）在沙角電廠解開內(nèi)環(huán)運(yùn)行，降低沙角電廠及深圳電網(wǎng)短路電流。

2）考慮東縱—寶安線路斷開運(yùn)行，降低東莞、深圳地區(qū)電網(wǎng)短路電流[3]。采取上述措施后，廣東珠三角地區(qū)部分500 kV站點(diǎn)短路電流水平如表1所示。

表1 廣東電網(wǎng)部分500 kV站點(diǎn)短路電流計(jì)算結(jié)果Tab.1 The calculation result of short-circuit currents in some 500 kV stations of Guangdong power grid kA

由表1可知，采取措施后2015年廣東500 kV電網(wǎng)短路電流整體水平仍然較高，其中增城、北郊、花都、鵬城、羅洞、西江、深圳等站短路電流水平仍較高，需進(jìn)一步采取措施以控制短路電流至合理水平。

2 廣東規(guī)劃電網(wǎng)短路電流來(lái)源分析

廣東500 kV電網(wǎng)采用內(nèi)外環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，各個(gè)站點(diǎn)之間的聯(lián)系緊密。根據(jù)500 kV短路電流計(jì)算結(jié)果可知，廣東短路電流較高站點(diǎn)主要位于廣東的內(nèi)環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。其中，三相短路電流超過(guò)60 kA的500 kV站點(diǎn)的500 kV出線多數(shù)不小于6回（深圳、莞城除外）。而作為內(nèi)外環(huán)網(wǎng)之間的樞紐節(jié)點(diǎn)普遍短路電流水平較高，包括江門、北郊、羅洞、西江、橫瀝、東縱站，其500 kV出線6~10回。

對(duì)廣東電網(wǎng)部分站點(diǎn)的短路電流來(lái)源進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果如表2所法。由結(jié)果可見，通過(guò)內(nèi)環(huán)網(wǎng)提供的短路電流比例占50%~86%。實(shí)際上根據(jù)潮流計(jì)算結(jié)果可知，內(nèi)環(huán)網(wǎng)的潮流較重，是主要的潮流通道，與短路電流的主要通道一致。通過(guò)打開內(nèi)環(huán)網(wǎng)運(yùn)行或?qū)⒉糠终军c(diǎn)調(diào)整至外環(huán)網(wǎng)，不僅能夠減輕內(nèi)環(huán)的潮流，還可以降低內(nèi)環(huán)網(wǎng)站點(diǎn)的短路電流水平。

表2 廣東電網(wǎng)部分500 kV站點(diǎn)短路電流來(lái)源分析Tab.2 Theanalysisof thesourcesof short circuit currents in some 500 kV stations of Guangdong power grid k A

3 超導(dǎo)限流器對(duì)短路電流影響

雖然可以通過(guò)廣東內(nèi)環(huán)網(wǎng)解開運(yùn)行、部分500 kV線路斷開運(yùn)行、部分500 kV線出串或站外跳通運(yùn)行等來(lái)降低廣東主網(wǎng)的短路電流水平。然而這些措施均一定程度上改變了原有電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，影響電網(wǎng)的潮流分布和安全穩(wěn)定，降低了電網(wǎng)運(yùn)行的靈活性和可靠性。

本文研究擬采用飽和鐵心型超導(dǎo)限流器。它的原理基于傳統(tǒng)的飽和鐵心電抗器，利用超導(dǎo)材料零電阻及通流能力強(qiáng)的特點(diǎn)，低損耗地解決了采用普通導(dǎo)體無(wú)法實(shí)現(xiàn)的大強(qiáng)度直流勵(lì)磁問(wèn)題[8]。它由2個(gè)相同的鐵心、2個(gè)相同的交流繞組，一個(gè)直流繞組和一個(gè)直流電源及其控制電路組成。2個(gè)交流繞組和2個(gè)鐵心的這種對(duì)稱結(jié)構(gòu)可以保證在2個(gè)鐵心處于相同的磁化狀態(tài)下，直流繞組所包圍的空間里磁通時(shí)時(shí)相互抵消，直流繞組2端無(wú)感生電勢(shì)產(chǎn)生。在電網(wǎng)輸電的正常通流態(tài)，直流磁勢(shì)使鐵心深度飽和，串入輸電線路的交流繞組呈現(xiàn)低感抗，故2端壓降很小，對(duì)于正常輸電無(wú)不利影響。在電網(wǎng)短路故障發(fā)生后，電流劇增，監(jiān)控系統(tǒng)立即感知故障并借助于直流控制電路中的電力電子開關(guān)在幾個(gè)毫秒之內(nèi)切斷直流勵(lì)磁電流，2個(gè)鐵心均脫離深度飽和狀態(tài)，故障電流在2個(gè)交流繞組上都將產(chǎn)生大的限流感應(yīng)電勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)限流，使短路電流水平低于高壓開關(guān)遮斷容量。飽和鐵心型超導(dǎo)限流器可以提高線路和電網(wǎng)運(yùn)行整體控制能力，避免了改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)或運(yùn)行方式等短路電流限制措施可能對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行造成的影響[9]?，F(xiàn)對(duì)以下超導(dǎo)限流器安裝在不同站點(diǎn)對(duì)短路電流的影響進(jìn)行分析。

3.1 北郊站

北郊站處于廣州北部地區(qū)，至2015年出線7回，是位于內(nèi)外環(huán)網(wǎng)之間的樞紐節(jié)點(diǎn)，近區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。北郊站短路電流水平較高，三相短路電流為59.4 kA，單相短路電流為61.4 kA，接近63 kA的限值。其中北郊-羅洞、北郊-花都線路為其短路電流主要來(lái)源。

圖1 北郊近區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)Fig.1 The grid structure near Beijiao Substation

結(jié)合北郊站內(nèi)部場(chǎng)地情況，超導(dǎo)限流器安裝在北郊-花都線路上建設(shè)條件較好，若安裝在北郊-羅洞線路存在較大的難度。因此超導(dǎo)限流器選擇以下安裝方案：

1）BJ-FA1。北郊—花都雙回線路分別各加裝1個(gè)超導(dǎo)限流器設(shè)備。

2）BJ-FA2。北郊—花都單回線路加裝1個(gè)超導(dǎo)限流器設(shè)備。

安裝超導(dǎo)限流器對(duì)北郊站短路電流限制效果如圖2所示。

計(jì)算結(jié)果表明：

1）僅在北郊—花都一回線路上加裝超導(dǎo)限流器限制短路電流的效果要明顯差于在雙回線路上均加裝的效果。當(dāng)超導(dǎo)限流器發(fā)揮40Ω阻抗作用，雙回線路均加裝時(shí)能夠降低北郊站的三相短路電流水平約9.4 kA；單回線路加裝時(shí)，僅能降低北郊站的短路電流水平約2.6 kA。

圖2 超導(dǎo)限流器對(duì)北郊站短路電流影響計(jì)算結(jié)果Fig.2 The calculation result of the short circuit currents of Beijiao Substation influenced by the superconducting current limiter

2）超導(dǎo)限流器在短路時(shí)阻抗越大，對(duì)短路電流限制效果越好；阻抗越小，對(duì)短路電流的限制效果越差。當(dāng)超導(dǎo)限流器阻抗為40Ω時(shí)，則北郊站、花都站、羅洞站三相短路電流分別下降約9.4 kA、12.6 kA、2.5 kA；當(dāng)超導(dǎo)限流器阻抗為5Ω時(shí)，北郊站、花都站、羅洞站三相短路電流分別下降約2.5 kA、3.8 kA、0.6 kA。

3.2 增城站

增城站位于廣州東部電網(wǎng)，至2015年出線8回，近區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。短路電流較高，三相短路電流為53.8 kA，單相短路電流為60.4 kA，接近63 kA的限值。其中增城—北郊線路為其短路電流主要來(lái)源。增城—穗東線路對(duì)其短路電流貢獻(xiàn)也較大。

圖3 增城站近區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The grid structure near Zengcheng Substation

結(jié)合增城站內(nèi)建設(shè)條件，考慮以下2個(gè)加裝超導(dǎo)限流器方案：

1）ZC-FA1。增城—北郊雙回線路分別各加裝一個(gè)超導(dǎo)限流器設(shè)備。

2）ZC-FA2。增城-穗東雙回線路分別各加裝一個(gè)超導(dǎo)限流器設(shè)備。

安裝超導(dǎo)限流器對(duì)增城站短路電流限制效果如圖4所示。

圖4 超導(dǎo)限流器對(duì)增城站短路電流影響計(jì)算結(jié)果Fig.4 The calculation result of the short circuit currents of Zengcheng Substation influenced by the superconducting current limiter

計(jì)算結(jié)果表明：

1）同北郊站計(jì)算結(jié)果類似，超導(dǎo)限流器在短路時(shí)阻抗越大，則對(duì)短路電流限制效果越好。

2）加裝短路電流限制器于短路電流主要來(lái)源線路，對(duì)變電站母線三相短路電流的抑制效果，要優(yōu)于加裝不是短路電流主要來(lái)源線路。增城-北郊線路對(duì)增城站所提供的三相短路電流要大于增城-穗東線路所提供的值，ZC-FA1對(duì)增城站三相短路電流的抑制效果要優(yōu)于ZC-FA2，當(dāng)超導(dǎo)線路器分別為40Ω、20Ω、5Ω時(shí)，ZC-FA1能夠分別降低增城站三相短路電流9.1 kA、6.5 kA、2.4 kA；ZC-FA2僅能夠分別降低增城站三相短路電流2.6 kA、2.0 kA、0.8 kA。

3.3 深圳站和鵬城站

深圳站、鵬城站位于深圳負(fù)荷中心，至2015年均分別出線六回，近區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。根據(jù)第1節(jié)分析結(jié)果，2015年鵬城站短路電流仍然較高，三相短路電流為48.5 kA，單相短路電流為59.9 kA，接近63 kA的限值。深圳站三相、單相短路電流分別為47.1 kA、48.5 kA，接近深圳站現(xiàn)有斷路器50 kA的開斷水平，需進(jìn)一步采取措施降低短路電流水平。

由于深圳站、鵬城站電氣距離近，且直接電氣連接，兩站短路電流水平密切相關(guān)，任一站限制短路電流措施都會(huì)影響另一站的短路電流水平，因此，該研究對(duì)深圳站和鵬城站短路電流進(jìn)行聯(lián)合分析。根據(jù)第2節(jié)短路電流來(lái)源分析結(jié)果，深圳-鵬城線路均是深圳站、鵬城站的主要短路電流來(lái)源。此外，紫荊-鵬城也是鵬城站的另外一個(gè)短路電流來(lái)源。同時(shí)結(jié)合深圳站、鵬城站情況，深圳站加裝超導(dǎo)限流器的難度較大。鵬城站至紫荊、深圳方向均存在加裝條件。因此超導(dǎo)限流器初步考慮加裝在鵬城站，選擇以下安裝方案：

圖5 深圳鵬城站近區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The grid structure near Shenzhen Pengcheng Substation

1）PC-FA1。深圳-鵬城雙回線路分別各加裝1個(gè)超導(dǎo)限流器設(shè)備。

2）PC-FA2。深圳-鵬城單回線路加裝1個(gè)超導(dǎo)限流器設(shè)備。

3）PC-FA3。紫荊-鵬城雙回線路分別各加裝1個(gè)超導(dǎo)限流器設(shè)備。

安裝超導(dǎo)限流器對(duì)增城站短路電流限制效果如圖6所示。

圖6 超導(dǎo)限流器對(duì)深圳站短路電流影響計(jì)算結(jié)果Fig.6 The calculation result of the short circuit currents of Shenzhen Station influenced by the superconducting current limiter

計(jì)算結(jié)果表明，加裝超導(dǎo)限流器后，對(duì)線路2端的短路電流限制效果良好，當(dāng)超導(dǎo)限流器的阻抗在5~40Ω間變化時(shí)，深圳站、鵬城站短路電流水平均有所下降。

3.4 其他站點(diǎn)

類似地，對(duì)西江站、羅洞站、江門站等進(jìn)行分析，加裝超導(dǎo)限流器對(duì)西江、羅洞站短路電流影響計(jì)算結(jié)果如圖7所示。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)超導(dǎo)限流器加裝于西江—羅洞、莞城—東縱線路時(shí)，對(duì)線路2端站點(diǎn)的短路電流限制效果均較好。

圖7 超導(dǎo)限流器對(duì)西江、羅洞站短路電流影響計(jì)算結(jié)果Fig.7 The calculation result of the short circuit currents of Xijiang Station and Luodong Station influenced by the superconducting current limiter

4 超導(dǎo)限流器選點(diǎn)方案

目前，35 kV飽和鐵心型超導(dǎo)限流器已在2007年掛網(wǎng)運(yùn)行，220 kV飽和鐵心型超導(dǎo)限流器也已進(jìn)入調(diào)試階段。通過(guò)超導(dǎo)限流器的運(yùn)行和試驗(yàn)，設(shè)備與電網(wǎng)匹配協(xié)調(diào)運(yùn)行及其控制技術(shù)已積累一定的運(yùn)行數(shù)據(jù)，具備進(jìn)一步發(fā)展500 kV超導(dǎo)限流器的技術(shù)基礎(chǔ)。

4.1 超導(dǎo)限流器選點(diǎn)原則

珠三角地區(qū)負(fù)荷密度高，區(qū)域電網(wǎng)聯(lián)系緊密，是目前國(guó)內(nèi)最復(fù)雜的電網(wǎng)之一，對(duì)供電可靠性的要求很高。由于500 kV高溫超導(dǎo)限流器尚無(wú)應(yīng)用先例，立足于系統(tǒng)安全可靠，選點(diǎn)原則如下：

1）降低電網(wǎng)短路電流水平，能體現(xiàn)超導(dǎo)限流器的作用。

2）合理選擇站點(diǎn)的出線，正常及N-1方式下限流值應(yīng)不大于超導(dǎo)限流器的額定工作電流。

3）避免對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行方式有較多影響。

4）安裝方便，不影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5）加裝高溫超導(dǎo)限流器后，母線的短路電流水平應(yīng)不得超過(guò)開關(guān)的遮斷容量，并留有一定裕度。

4.2 安裝方案

1）加裝超導(dǎo)限流器于北郊—花都、增城—北郊、鵬城—深圳、鵬城—紫荊、莞城—東縱、西江—羅洞線路的效果均較好，能較大范圍地降低線路兩側(cè)站點(diǎn)的短路電流，同時(shí)也可以有效限制其近區(qū)廠站短路電流。

2）北郊站位處廣東500 kV主網(wǎng)架的中心，隨著廣東遠(yuǎn)景網(wǎng)架的發(fā)展，其近區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)還存在較大不確定性，裝設(shè)超導(dǎo)限流器設(shè)備對(duì)遠(yuǎn)景電網(wǎng)發(fā)展的適應(yīng)性較差。

3）鵬城—紫荊線路正常運(yùn)行方式下潮流較重，N-1方式下線路電流值存在大于超導(dǎo)限流器的額定工作電流的風(fēng)險(xiǎn)，且加裝超導(dǎo)限流器的效果也略差于深圳—鵬城線路。

4）西江—羅洞、莞城—東縱、深圳—鵬城線路在正常方式下線路潮流較輕，在這些線路上加裝超導(dǎo)限流器對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響較小。同時(shí)，超導(dǎo)限流器加裝效果良好，均能有效降低線路兩側(cè)站點(diǎn)短路電流水平，能夠適應(yīng)電網(wǎng)發(fā)展的需要。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上分析，西江—羅洞、莞城—東縱、深圳—鵬城線路適合作為加裝超導(dǎo)限流器的線路。結(jié)合場(chǎng)地情況，西江站、東縱站及深圳站均適合作為加裝超導(dǎo)限流器的站點(diǎn)。隨著超導(dǎo)限流器制造技術(shù)的提高及成本的降低，若在廣東500 kV電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用，將有力降低廣東電網(wǎng)短路電流水平，促進(jìn)廣東電網(wǎng)發(fā)展。

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