馬宏明,宋萌,胡南南,黑穎頓

(云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,昆明 650217)

超導(dǎo)故障限流器對高壓電網(wǎng)穩(wěn)定性影響

馬宏明,宋萌,胡南南,黑穎頓

(云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,昆明 650217)

超導(dǎo)故障限流器作為非線性元件的短路電流限制器,具有體積小、重量輕、損耗小、自動響應(yīng)等特點(diǎn)。飽和鐵芯型超導(dǎo)故障限流器由于結(jié)構(gòu)簡單、動作特性良好、故障后恢復(fù)能力強(qiáng)等技術(shù)優(yōu)勢,是一種可以工程應(yīng)用于高壓電網(wǎng)中的限流器。通過分析研究表明,該飽和鐵芯型超導(dǎo)故障限流器不僅可以在故障時有效地限制短路電流,而且還能對電網(wǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生積極的影響。

飽和鐵芯型超導(dǎo)故障限流器；短路電流；高壓電網(wǎng)；穩(wěn)定性

0 前言

隨著電力系統(tǒng)和現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展,大電網(wǎng)互聯(lián)和跨國互聯(lián)的趨勢,大容量遠(yuǎn)距離輸電的需求,發(fā)電機(jī)單機(jī)容量不斷增大,低阻抗大容量變壓器在現(xiàn)代低壓配電系統(tǒng)中的應(yīng)用不斷增長以及配電網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展,使電力系統(tǒng)中的短路容量有日益增加的趨勢[1]。

由于短路容量的增加,現(xiàn)有的斷路器開斷容量受到了巨大挑戰(zhàn),目前世界頂級的斷路器開斷短路電流的能力在63 kA左右,而最新情況表明,到2020年金沙江電站送電后的500 kV主網(wǎng)的短路電流超過50 kA,三峽電廠的短路電流將超過55 kA,上海一些變電所的短路電流將超過63 kA[2-3]。這樣,現(xiàn)有的斷路器將難以滿足開斷系統(tǒng)短路電流的要求,而且隨著全國聯(lián)網(wǎng)不斷加強(qiáng)以及電網(wǎng)容量不斷擴(kuò)大,這種矛盾會越來越突出。短路電流過大已經(jīng)成為制約現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展的技術(shù)瓶頸之一。

為保證系統(tǒng)安全、可靠和穩(wěn)定運(yùn)行,需采取有效的限制短路電流措施,來保證斷路器有效的切斷故障電流。當(dāng)前限制電力系統(tǒng)短路電流措施主要有[4-6]：

1)提升電網(wǎng)的電壓等級,將電網(wǎng)分層、分區(qū)運(yùn)行。該措施可有效抑制系統(tǒng)短路容量,但建造高電壓的網(wǎng)絡(luò)工程復(fù)雜、造價昂貴、也降低了供電可靠性和運(yùn)行靈活性,還會有電磁污染等問題；

2)多母線分列運(yùn)行和母線分段運(yùn)行。該措施可大大減小短路容量,明顯限制短路電流的水平,但降低了供電可靠性、增加了線損,在220 kV以及更高壓網(wǎng)絡(luò)一般不采用此方式；

3)使用大容量斷路器。該方案存在一定的局限性,一方面超大容量斷路器在工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)比較困難；另一方面,電力系統(tǒng)短路電流及斷路器設(shè)備遮斷容量太大會增加并聯(lián)設(shè)備的技術(shù)要求,是不經(jīng)濟(jì)的；

4)采用限流電抗器。一般在超高壓、長距離輸電線路中,串聯(lián)電抗器使用得較多,其使用增大了線路等效阻抗,增加輸電線路距離,實(shí)現(xiàn)限制短路電流水平,該措施還可補(bǔ)償線路電容電流,有效改善線路末端的電壓水平。但是該措施會增加網(wǎng)損、降低系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

以上各種措施在一定程度上限制了短路電流水平,但均存在各自缺陷和不足,或?qū)﹄娋W(wǎng)產(chǎn)生了不利影響,或技術(shù)實(shí)現(xiàn)困難。因此提出故障限流器的概念,其不改變系統(tǒng)的運(yùn)行方式、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及正常運(yùn)行狀態(tài)參數(shù),又可滿足系統(tǒng)短路容量不斷增大的要求,能有效切斷大容量的故障電流。

超導(dǎo)故障限流器 (Superconductive Fault Current Limiter簡稱SFCL)作為一種非線性元件的短路電流限制器,其具有穩(wěn)態(tài)低阻、限流高阻、損耗小、自動響應(yīng)等特點(diǎn)[7],是目前可應(yīng)用于大容量、高電壓骨干電網(wǎng)中的功能特性較為理想的故障限制流的裝置。

1 超導(dǎo)故障限流器的分類及特點(diǎn)

超導(dǎo)故障限流器可根據(jù)不同劃分標(biāo)準(zhǔn)有不同的分類方式[8-9]：

1)根據(jù)超導(dǎo)材料劃分,分為低溫和高溫超導(dǎo)故障限流器；

2)根據(jù)工作原理劃分,分為失超型和非失超型超導(dǎo)故障限流器；

通常,失超型故障限流器是利用超導(dǎo)體超導(dǎo)體——正常態(tài)的轉(zhuǎn)變特性來限制故障電流。非失超型故障限流器不利用超導(dǎo)體的失超特性來達(dá)到限流的目的,則是利用超導(dǎo)材料在直流狀態(tài)下的無阻載流特性。

3)按照限流方式劃分,分為電阻型、電感型和電阻—電感型SFCL；

4)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)劃分,分為電阻型、變壓器型、橋路型、飽和鐵芯型、三相電抗器型、磁屏蔽型和混合型SFCL等。

圖1 超導(dǎo)故障限流器的分類

超導(dǎo)故障限流器形式多樣,其應(yīng)用的超導(dǎo)特性也不盡相同,但其基本原理都是在系統(tǒng)因故障等原因出現(xiàn)過電流時,通過限流器動作,在線路中接入較大的阻抗限制短路電流。常用的超導(dǎo)故障限流器原理圖及其各自的工作特點(diǎn)如圖2、表1所示[10-11]。

圖2 各類超導(dǎo)故障限流器原理結(jié)構(gòu)圖

名稱　　原理　　優(yōu)點(diǎn)　　缺點(diǎn)橋路型正常時,橋路上有小的正壓降外,裝置對線路電流不表現(xiàn)任何阻抗。當(dāng)故障時,線路電流的幅值大于Io時,正半周期內(nèi)二極管D3、D4均不導(dǎo)通,而在負(fù)半周期內(nèi)D1、D2均不導(dǎo)通,高溫超導(dǎo)線圈L就被自動地接入線路,短路故障電流就被L限制能在0.2～0.5 s內(nèi)從故障中恢復(fù)而不需要輔助系統(tǒng),其更適用于自動重合閘；總重量輕、費(fèi)用較低高溫超導(dǎo)線圈會通過大于線路電流幅值的直流,所以電流引線的低溫?fù)p耗較大；需要添加電力二極管橋路和偏壓電源系統(tǒng),裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜飽和鐵芯型一個鐵芯內(nèi)的直流磁場與交流磁場同向,另一個則反向。正常運(yùn)行時施加直流源,使兩個鐵芯達(dá)到深度飽和,則裝置呈現(xiàn)低阻抗；當(dāng)輸電線路發(fā)生短路故障時,短路電流可使兩鐵芯在一周期內(nèi)交替去飽和,裝置呈現(xiàn)大阻抗,限制故障電流在故障限制期內(nèi)超導(dǎo)線圈一般不失超,具備多次自啟動能力,能滿足自動重合閘運(yùn)行條件在故障時刻起限流作用的僅為兩鐵芯中的一個,易導(dǎo)致限流效果較弱,在應(yīng)用中需更多的鐵芯及交流繞組才能達(dá)到所需限流效果；直流高溫超導(dǎo)繞組還可能要承受高感應(yīng)電壓的沖擊,需加強(qiáng)直流源保護(hù)磁屏蔽型　　利用超導(dǎo)體在超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)下磁特性(超導(dǎo)體的完全抗磁特性)變化超導(dǎo)材料用量較少,交流損耗低,低溫?zé)嶝?fù)荷小恢復(fù)時間長,需要兩套裝置才能用于快速重合閘；限流期間有暫態(tài)過電壓三相電抗型正常運(yùn)行時,三相超導(dǎo)繞組電流平衡,其和為零,鐵芯無磁通變化,裝置呈低阻抗。當(dāng)發(fā)生單相對地故障時,三相電流失衡,電抗變得非常大,故障電流被很大的零相序電抗所限制。當(dāng)發(fā)生兩相或三相短路故障時,裝置電抗不增大,但當(dāng)故障電流達(dá)到超導(dǎo)繞組的臨界電流時,超導(dǎo)繞組失超,故障電流被大的常態(tài)電阻所限制。單相對地故障時超導(dǎo)繞組一般不會失超,對于不對稱故障有較強(qiáng)的限流能力對于對稱性故障限流能力較弱混合型線路故障時,二次繞組電流增大,超導(dǎo)繞組達(dá)到臨界電流失超,二次側(cè)自動接入高阻抗,限制故障電流。簡單易制作,質(zhì)量輕、損耗低故障期間有較高的過電壓,故障后磁路飽和會引起電流電壓畸變

綜上所述,超導(dǎo)故障限流器一般需結(jié)合電力電子和現(xiàn)代控制技術(shù),達(dá)到限流的目的,本文中提及的超導(dǎo)故障限流器,一般是指利用高溫超導(dǎo)帶材制作的高溫超導(dǎo)故障限流器 (HTSSFCL)[12]。其中失超型超導(dǎo)故障限流器基于S/N轉(zhuǎn)換原理,其利用超導(dǎo)體的失超特性實(shí)現(xiàn)限制短路電流的目的,它們的優(yōu)勢是原理和結(jié)構(gòu)比較簡單,但是超導(dǎo)帶材失超后再次轉(zhuǎn)換為超導(dǎo)狀態(tài)需要快速制冷,但目前的制冷系統(tǒng)的響應(yīng)時間較長,達(dá)秒級單位,所以一般不適于高壓電網(wǎng)。不失超型超導(dǎo)故障限流器則充分利用高溫超導(dǎo)體的高密度無阻載流能力,具備優(yōu)良的動作特性,該類限流器的優(yōu)勢是靈活可控性好,其與電力技術(shù)有機(jī)結(jié)合并有向多功能化發(fā)展的趨勢,將成為今后超導(dǎo)故障限流器研究的重點(diǎn)方向。特別是飽和鐵芯型超導(dǎo)故障限流器可以滿足自動重合閘等運(yùn)行要求,且結(jié)構(gòu)相對簡單,易于工程實(shí)現(xiàn)。

2 飽和鐵芯型超導(dǎo)故障限流器

2.1 飽和鐵芯型超導(dǎo)故障限流器工作原理

圖3給出了雙鐵芯飽和超導(dǎo)限流器原理結(jié)構(gòu)圖。飽和鐵芯型超導(dǎo)限流器利用鐵芯的飽和特性來達(dá)到限流的效果,它由兩個并列的鐵芯和直流勵磁系統(tǒng)組成。兩個交流線圈以一定形式串聯(lián)繞在兩個鐵芯上,串聯(lián)后的交流繞組串接接入輸電系統(tǒng)中；直流磁化超導(dǎo)繞組繞在兩個鐵芯中柱上。由電磁理論可知,串聯(lián)的交流繞組產(chǎn)生的磁場在中柱,即直流繞組纏繞的鐵芯柱處相互抵消；直流超導(dǎo)繞組則會產(chǎn)生一個很強(qiáng)的直流磁場,使鐵芯處于深度飽和狀態(tài)[13-14]。

圖3 鐵芯飽和超導(dǎo)限流器原理結(jié)構(gòu)圖

飽和鐵芯型超導(dǎo)限流器在穩(wěn)態(tài)正常工作時,直流勵磁繞組起主要作用,使鐵芯處于深度飽和狀態(tài),通過交流線圈的額定交流電流所產(chǎn)生的交流磁場不足以使鐵芯脫離飽和區(qū),使得鐵芯內(nèi)的磁通量幾乎不變,鐵芯磁導(dǎo)率較低。根據(jù)電磁感應(yīng)定律,磁通量的不變意味交流繞組的感應(yīng)電動勢為零,即限流器兩端電壓為零,或者可以表示為交流線圈的電感值較小,此時限流器對系統(tǒng)幾乎無影響。當(dāng)故障發(fā)生時,在瞬間增大的短路電流沖擊下,交流繞組產(chǎn)生的磁通勢增加至超過超導(dǎo)繞組的磁通勢,使其中一個鐵芯退磁,鐵芯脫離飽和區(qū),另一個鐵芯飽和磁場加強(qiáng)。由于限流器的電感瞬間增大,使交流繞組兩端具有較大的電壓降,從而限制系統(tǒng)的電流。

2.2 飽和鐵芯型超導(dǎo)故障限流器工作模式

飽和鐵芯型超導(dǎo)故障限流器的工作模式如圖4所示,當(dāng)交流系統(tǒng)中的電流大于限流器啟動電流值后,限流器進(jìn)入限流模式,交流繞組感抗增加,兩端電壓變大；隨著交流側(cè)電流的繼續(xù)增大,使得鐵芯進(jìn)一步脫離飽和狀態(tài),限流的作用越加明顯,增大故障電流的縮減率；但如果限流器所限的短路電流繼續(xù)變大,鐵芯將進(jìn)入反向飽和區(qū)域,等效阻抗隨之減小,此時故障電流的縮減率會降低。因而,在飽和鐵芯型超導(dǎo)故障限流器的設(shè)計時應(yīng)充分考慮系統(tǒng)最大短路電流,以達(dá)到理想的限流效果。

圖4 飽和鐵芯型超導(dǎo)故障限流器的工作模式

3 對高壓電網(wǎng)穩(wěn)定性分析

3.1 飽和鐵芯型超導(dǎo)故障限流器建模

理想的超導(dǎo)限流器的電流-阻抗特性曲線如圖5所示,正常運(yùn)行時,超導(dǎo)限流器的阻抗為0,對電網(wǎng)不產(chǎn)生任何影響,但故障時,超導(dǎo)限流器的阻抗迅速躍變?yōu)閄,達(dá)到限流的目的,故障切除后,又迅速變?yōu)?。對其建模簡單,設(shè)定故障電流的閾值,當(dāng)故障時,電流值達(dá)到閾值,即改變超導(dǎo)限流器的阻抗值為X。

圖5 理想超導(dǎo)限流器的電流-阻抗特性曲線

根據(jù)實(shí)際要求和工程可行性,廣東電網(wǎng)公司和云電英納提出的500 kV飽和鐵芯型超導(dǎo)限流器的電流-電阻特性曲線,然后對該特性曲線進(jìn)行線性擬合,得到擬合后的特性如圖6所示。由于目前的工藝無法滿足直流勵磁部分的絕緣,導(dǎo)致直流勵磁部分會在短路故障發(fā)生時被切除。故障時超導(dǎo)限流器的阻抗特性類似于不帶直流勵磁情況。

圖6 分段線性擬合的實(shí)際超導(dǎo)限流器的電流-阻抗特性曲線

曲線A為超導(dǎo)限流器帶直流時的阻抗特性曲線,曲線B為超導(dǎo)限流器切斷直流后的阻抗特性曲線。曲線C為空心電抗器的阻抗特性曲線。系統(tǒng)初始運(yùn)行時,超導(dǎo)限流器有直流勵磁,發(fā)生故障時,為了保護(hù)直流電源,切除直流,此時阻抗特性曲線躍變?yōu)椴粠е绷鞯淖杩固匦郧€B。顯然,超導(dǎo)限流器的阻抗值比空心電抗器的阻抗值大。

本文采用電力系統(tǒng)仿真軟件PSS/E(Power System Simulator for Engineering)進(jìn)行系統(tǒng)仿真。由于 PSS/E具有自定義模型功能,可以通過Python語言直接調(diào)用PSS/E內(nèi)部提供的API函數(shù),再根據(jù)飽和鐵芯型超導(dǎo)限流器的數(shù)學(xué)模型和電流-阻抗特性曲線,建立了理想超導(dǎo)故障限流器和實(shí)際超導(dǎo)故障限流器的仿真模型。

圖7 自定義模型

3.2 超導(dǎo)故障限流器對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響

從整體上來看,電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題分為功角穩(wěn)定問題、電壓穩(wěn)定問題和頻率穩(wěn)定問題三個部分。由于超導(dǎo)故障限流器主要計劃在發(fā)電廠密集區(qū)域或重負(fù)荷區(qū)域安裝,該區(qū)域相對更關(guān)注功角穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定,因此本文主要從功角穩(wěn)定性和電壓穩(wěn)定性兩方面著手進(jìn)行電網(wǎng)穩(wěn)定性分析。

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn),2013年云南電網(wǎng)500 kV電網(wǎng)短路電流最大的變電站為羅平變,其三相短路電流為46 kA,單相短路電流為37 kA,隨著未來電網(wǎng)的建設(shè)以及電源的投產(chǎn),短路電流還將有進(jìn)一步的增加,因此有安裝超導(dǎo)故障限流器的必要性。通過對具體安裝點(diǎn)的理論計算和分析,羅平-曲靖支路上安裝限流器對短路電流的限制效果最好。

為了將自定義的模型嵌入原始潮流數(shù)據(jù)?.sav中,以及讀取流過超導(dǎo)限流器的電流,需要改變原始的潮流數(shù)據(jù),在母線 861044與母線861019的支線1上添加母線10,在母線861044與母線10之間添加SFCL1。在母線861044與母線861019的支線 2上添加母線 11,在母線861044與母線11之間添加SFCL2,超導(dǎo)故障限流器安裝示意圖如圖8所示。設(shè)置SFCL1和SFCL2的初始阻抗值為穩(wěn)態(tài)阻抗值。

假設(shè)仿真時間1 s時,設(shè)置861019-10支線故障,在母線861019側(cè)發(fā)生三相接地故障 (區(qū)內(nèi)故障),故障時間為0.1 s,1.1 s時切除故障線路。監(jiān)測附近電廠等出口處母線的功角,并且監(jiān)測曲靖、羅平的母線電壓和角度,以及電流值。

圖8 超導(dǎo)故障限流器安裝示意圖

圖9 流過超導(dǎo)故障限流器的電流值

由圖9所示,故障期間,短路電流持續(xù)減小,限流效果明顯。但是對于圖 (b)由于故障線路切除后,超導(dǎo)故障限流器恢復(fù)需要極短時間,相比未加超導(dǎo)故障限流器時,該條線路上的SFCL2呈現(xiàn)大阻抗值,使得流過的電流值減小,影響功率的傳輸,因此,故障后超導(dǎo)限流器可能會對線路的功率輸送帶來一定的影響。

圖10 母線電壓

對于圖10中的 (a)來說,未加超導(dǎo)限流器時,曲靖的母線電壓,在故障時下降幅度最大,加裝理想超導(dǎo)限流器、實(shí)際超導(dǎo)限流器,電壓下降幅度都有所減小,但是加超導(dǎo)限流器較未加超導(dǎo)限流器來說故障電壓較高,且在1.1s切除故障線路后電壓恢復(fù)相對較快。對于圖10中的 (b)來說,未加超導(dǎo)限流器和加超導(dǎo)限流器時,故障后,羅平母線電壓降為0,切除故障線路后,羅平母線電壓迅速回升,很快趨于穩(wěn)定。但是加超導(dǎo)限流器比未加超導(dǎo)限流器母線電壓上升較快。因此,飽和鐵芯型超導(dǎo)故障限流器不僅不對電壓穩(wěn)定產(chǎn)生影響,而且有利于系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。

圖11 電廠出口處母線的功角特性曲線

圖11表示系統(tǒng)加裝SFCL前后,故障下近端電廠發(fā)電機(jī)的功角特性曲線。加裝超導(dǎo)限流器后,功角衰減幅度比未加超導(dǎo)限流器大。因此,飽和鐵芯型超導(dǎo)故障限流器對近端的發(fā)電機(jī)功角產(chǎn)生積極影響,有利于系統(tǒng)的功角穩(wěn)定。

綜上所述,飽和鐵芯型超導(dǎo)故障限流器在正常運(yùn)行狀態(tài)下呈現(xiàn)較低的阻抗,對系統(tǒng)幾乎無影響,保證用戶電壓的穩(wěn)定性和用電質(zhì)量；當(dāng)發(fā)生短路故障時,可以立即產(chǎn)生高阻抗,限制電網(wǎng)的故障短路電流水平,并且給電網(wǎng)的穩(wěn)定性帶來積極的影響。

4 結(jié)束語

飽和鐵芯型超導(dǎo)故障限流器作為一種可以應(yīng)用于高壓電網(wǎng)中以限值短路電流的新型限流器,其運(yùn)行特性的優(yōu)良會直接影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性。通過本文的研究發(fā)現(xiàn)：

1)飽和鐵芯型超導(dǎo)故障限流器在正常運(yùn)行狀態(tài)下呈現(xiàn)較低的阻抗,可以減低故障限流設(shè)備的運(yùn)行損耗,保證用戶電壓的穩(wěn)定性和用電質(zhì)量；發(fā)生短路故障時,可以立即產(chǎn)生高阻抗,限制電網(wǎng)的故障短路電流水平；

2)飽和鐵芯型超導(dǎo)故障限流器安裝于高壓電網(wǎng)中,在一定程度上會給電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定和功角穩(wěn)定帶來積極的影響；

3)飽和鐵芯型超導(dǎo)故障限流器可以根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)的參數(shù)需要進(jìn)行設(shè)計,將故障電流限制在電網(wǎng)允許的短路電流范圍內(nèi),以保證系統(tǒng)安全、可靠和穩(wěn)定運(yùn)行。

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Influence of Stability for Saturated Core Superconducting Fault Current Limiter on High Voltage Grid

MA Hongming,SONG Meng,HU Nannan,HEI Yingdun
(Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming 650217,China)

Superconducting fault current limiter as a nonlinear element,have small size、light weight、low loss characteristics feature、automatic response.Saturated core superconducting fault current limiter can be applied to high-voltage grid,which have simple structure、good operating characteristics and strong fault recovery capabilities.By analyzing Saturated core superconducting fault current limiter can not only effectively limit the short-circuit current,but also have a positive impact on the grid stability.

saturated core superconducting current limiter；short-circuit current；high voltage grid；stability

TM85

B

1006-7345(2015)01-0107-06

2014-10-24

馬宏明 (1987),男,助理工程師,云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,從事設(shè)備狀態(tài)檢修、高溫超導(dǎo)電力技術(shù)等方面的研究工作 (e-mail)ncepuming＠126.com。