丁偉

(中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣州 510663)

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500 kV高溫超導(dǎo)限流器電網(wǎng)接入工程方案研究

丁偉

(中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣州 510663)

高溫超導(dǎo)限流器(SFCL)是一種限制電網(wǎng)短路電流的有效措施，500 kV SFCL設(shè)備研制已有較大發(fā)展，對500 kV SFCL接入電網(wǎng)系統(tǒng)的工程方案進(jìn)行了研究，首先介紹了SFCL的工作原理，結(jié)合220 kV和35 kV SFCL投入電網(wǎng)的運行情況分析了SFCL的故障類型，接著針對500 kV SFCL的設(shè)備特點和電網(wǎng)要求，提出了一種主接線方案，該方案具有可靠性高，運行靈活，施工方便等特點，并給出了2個適用于不同工程環(huán)境情況下的平面布置方案。

500 kV飽和鐵心型高溫超導(dǎo)限流器(SFCL)；電網(wǎng)接入系統(tǒng)；主接線；平面布置

隨著南方電網(wǎng)廣東地區(qū)裝機容量和各級電壓網(wǎng)架建設(shè)的高速發(fā)展，500 kV網(wǎng)架結(jié)構(gòu)大大增強，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的加強帶來了廣東珠三角地區(qū)500 kV電網(wǎng)短路容量的穩(wěn)步增長，變電站現(xiàn)有設(shè)備容量難以適應(yīng)系統(tǒng)發(fā)展的需要[1]。實際工程中已采用一些限流設(shè)備來降低短路電流，如在500 kV線路中串聯(lián)接入干式空心限流電抗器，這種方法能有效抑制短路電流水平，但由于限流阻抗值是固定的，限流的同時也降低了電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性和可靠性。

飽和鐵心型高溫超導(dǎo)限流器(Superconductive Fault Current Limiter ，以下簡稱SFCL)是一種限制電網(wǎng)短路電流的有效措施，500 kV的SFCL已進(jìn)入樣機研制和試驗階段[2-3]。飽和鐵心型SFCL在電壓等級和限流容量等參數(shù)上符合電力系統(tǒng)的限流需求。500 kV飽和鐵心型SFCL主要有以下優(yōu)點：(1)能夠在正常運行時呈低阻抗?fàn)顟B(tài)；(2)能夠在發(fā)生短路時呈高阻抗?fàn)顟B(tài)；(3)能自動快速響應(yīng)，讓限流器從低阻狀態(tài)快速運行到高阻狀態(tài)；(4)能夠快速從高阻狀態(tài)恢復(fù)到低阻狀態(tài)。該設(shè)備在限流的同時可更好兼顧電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性[4-6]。

500 kV SFCL的設(shè)備制造技術(shù)及設(shè)備性能已快速發(fā)展，而在世界上還沒有相關(guān)500 kV SFCL接入電網(wǎng)系統(tǒng)的實例。因此有必要根據(jù)500 kV SFCL的設(shè)備特點以及電網(wǎng)運行要求，提出適用于接入我國500 kV電網(wǎng)系統(tǒng)的方案，為后續(xù)的示范工程做好技術(shù)儲備。本文著重研究討論了適用于SFCL接入電網(wǎng)的接線方案和平面布置方案，并給出了適用范圍。

1 500 kV高溫超導(dǎo)限流器簡介

1.1 原理概述

飽和鐵心型SFCL的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。由鐵心、常規(guī)交流繞組、直流超導(dǎo)繞組三個部分組成。其中鐵心由兩個口字形鐵心組成；單相交流繞組為兩個常規(guī)導(dǎo)體繞制的線圈，繞組兩端接于電網(wǎng)中，繞組分置于不同的鐵心上，線圈產(chǎn)生的磁場方向相同；直流繞組為超導(dǎo)材料繞制而成，為兩個鐵心提供直流勵磁[7]。

圖1 飽和鐵心型超導(dǎo)限流器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure simple diagram of saturated core SFCL

正常運行時，直流電源為超導(dǎo)繞組提供勵磁電流，產(chǎn)生一個偏置磁場，使鐵心處于深度飽和狀態(tài)。此時，鐵心上的交流繞組處于低感抗?fàn)顟B(tài)，SFCL呈現(xiàn)較低的阻抗值，對電網(wǎng)的輸送電力無明顯影響。短路故障發(fā)生時，短路電流迫使兩個鐵心在一個周期內(nèi)交替退出飽和，磁導(dǎo)率迅速增大，交流繞組處于高感抗?fàn)顟B(tài)，SFCL呈現(xiàn)較大的阻抗值，從而有效限制短路電流幅值。

1.2 SFCL的故障情況

2007年我國研制的35 kV SFCL樣機已在云南電網(wǎng)普吉變電站并網(wǎng)運行；2012年我國研制的世界首臺220 kV SFCL也已在天津石各莊變電站掛網(wǎng)運行。本文調(diào)研了220 kV和35 kV SFCL的運行情況，并參與500 kV SFCL樣機參數(shù)指定及研制等工作，對500 kV SFCL可能出現(xiàn)的故障類型總結(jié)如下。

SFCL故障跳閘信號來自超導(dǎo)限流器的三個子系統(tǒng)：電抗系統(tǒng)、直流勵磁系統(tǒng)、低溫系統(tǒng)[8]。500 kV SFCL自身帶有監(jiān)控保護系統(tǒng)，其功能是負(fù)責(zé)控制超導(dǎo)限流器各部件的運行，接受電網(wǎng)電流、電壓信號，接受電網(wǎng)繼保指令，向電網(wǎng)繼保發(fā)送報警、跳閘信號。

電抗系統(tǒng)包括鐵心、油箱、套管、散熱器、風(fēng)扇等傳統(tǒng)電抗部件。電抗系統(tǒng)的故障跳閘信號和500 kV變壓器是完全一樣的。電抗系統(tǒng)跳閘故障與電抗系統(tǒng)的技術(shù)水平、加工工藝有關(guān)。電抗系統(tǒng)跳閘信號數(shù)量、跳閘故障發(fā)生幾率、發(fā)生跳閘故障后對電網(wǎng)的動作要求都與500 kV變壓器相同。與500 kV SFCL一樣用油浸絕緣的220 kV SFCL至今還未出現(xiàn)過電抗系統(tǒng)故障。

直流勵磁系統(tǒng)跳閘信號：直流勵磁系統(tǒng)的作用是為超導(dǎo)繞組提供直流電流，采用的是成熟的晶閘管整流勵磁方式。監(jiān)控保護系統(tǒng)發(fā)出直流勵磁跳閘信號意味著直流電流即將消失，超導(dǎo)限流器阻抗在幾十毫秒內(nèi)從穩(wěn)態(tài)阻抗增加到較大阻抗(具體大小和當(dāng)時電網(wǎng)電流大小有關(guān))。35 kV、220 kV超導(dǎo)限流器至今未發(fā)生過直流勵磁系統(tǒng)跳閘故障。

低溫系統(tǒng)跳閘信號：低溫跳閘信號數(shù)量只有一個。低溫系統(tǒng)的作用是保持超導(dǎo)繞組處于低溫環(huán)境。當(dāng)監(jiān)控保護系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)不足以維持低溫環(huán)境，并自動采取設(shè)定的措施無效后，就會發(fā)出低溫跳閘信號，以保護超導(dǎo)繞組的安全。由于低溫環(huán)境的改變是一個緩慢的過程，從發(fā)生低溫跳閘故障到低溫環(huán)境發(fā)生改變需要一定的時間。因此，低溫系統(tǒng)跳閘信號發(fā)出后，超導(dǎo)限流器會延后1 min再采取自我保護措施(即切斷直流勵磁)，超導(dǎo)限流器的阻抗在這1 min內(nèi)保持不變，1 min后阻抗會升高。從35 kV超導(dǎo)限流器運行經(jīng)驗來看，低溫跳閘故障發(fā)生三次，是三個系統(tǒng)中故障幾率最高的。通過對500 kV樣機試驗情況，低溫系統(tǒng)也是較為薄弱環(huán)節(jié)。

2 接入系統(tǒng)主接線方案

2.1 研究思路

500 kV SFCL的接入系統(tǒng)主接線方案的研究工作主要從以下幾個方面著手：

1)接線方案需綜合考慮500 kV SFCL的設(shè)備特點，可能發(fā)生的故障情況處理，及電網(wǎng)單位運行的要求。

2)對類似工程接入系統(tǒng)的接線方案進(jìn)行研究分析[8]。相似工程的接線最突出的兩個特點是：需設(shè)置帶斷路器的旁路回路，以便限流設(shè)備退出運行時不影響該線路的正常運行；500 kV系統(tǒng)需考慮線路斷路器暫態(tài)恢復(fù)電壓升高的影響[9-10]。

3)對多個主接線方案進(jìn)行可靠性分析對比。

2.2 推薦主接線

已投運的220 kV SFCL電氣主接線見圖2。變電站220 kV采用雙母線接線，SFCL利用預(yù)留的主變間隔新建相關(guān)設(shè)備接入系統(tǒng)，而原線路間隔和新建超導(dǎo)限流器間隔并聯(lián)，形成旁路。新建間隔中，超導(dǎo)限流器兩端均設(shè)有隔離開關(guān)和斷路器。

圖2 220 kV SFCL接入系統(tǒng)電氣接線圖Fig. 2 Single line diagram of 220 kV SFCL connecting to grid

500 kV線路在變電站內(nèi)的接線型式一般采用3/2斷路器接線。本文的接線方案[12]參考了220 kV接線的經(jīng)驗，不改變站內(nèi)原有接線型式，只是在線路側(cè)增加SFCL的相關(guān)回路。具體方案如圖3所示。

圖3 500 kVSFCL接入系統(tǒng)電氣接線圖Fig. 3 Single line diagram of 500 kV SFCL connecting to grid

上圖中虛線框內(nèi)為500 kV飽和鐵心型高溫超導(dǎo)限流器接入系統(tǒng)的所需設(shè)備元件和接線方案。該接線方案中各組成元件及相應(yīng)功能如下：

1)FL——500 kV SFCL：線路正常時顯低阻抗，線路發(fā)生短路故障時進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)限流。

2)CB1，CB2，CB3——斷路器：CB1和CB2在限流器故障或退出運行時將限流器從線路中斷開，CB3為旁路斷路器，線路可通過CB3旁路運行。

3)DS1，DS2，DS3，DS4——隔離開關(guān)：限流器和斷路器設(shè)備檢修用。

4)ES1，ES2，ES3，ES4，ES5——接地開關(guān)：設(shè)備檢修或停運時接地用，以保證相關(guān)人員安全。

5)C1，C2電容器：降低變電站側(cè)的斷路器開斷短路電流時引起的瞬態(tài)恢復(fù)電升高。

6)SA避雷器：線路過電壓防護。

7)CVT電容式電壓互感器：提供電壓測量信號。

8)CT電流互感器：提供電流測量信號。

該接線的特點在于斷路器的配置。在超導(dǎo)限流器主回路中設(shè)置了斷路器CB1和CB2，并設(shè)置了帶有斷路器CB3的完整旁路。當(dāng)線路通過CB3運行時，此時要將限流器投入運行，則操作步驟為：合隔離開關(guān)DS1和DS2——合斷路器CB1和CB2——分?jǐn)嗦菲鰿B3。當(dāng)線路通過FL運行時，此時超導(dǎo)限流器因故障(接地故障和設(shè)備內(nèi)部故障)或檢修需要退出運行，則操作步驟為：合斷路器CB3(DS3和DS4熱備用)——分?jǐn)嗦菲鰿B1和CB2——分DS1和DS2。

從以上步驟可知，當(dāng)需要切除或投入500 kV SFCL時，可通過CB1，CB2，CB3的配合動作快速實現(xiàn)，而變電站中500 kV串內(nèi)斷路器可不動作，從而實現(xiàn)所裝限流器的500 kV線路不停電。

2.3 主要設(shè)備配置

斷路器的配置主要考慮了運行狀態(tài)切換的需求，作用2.2節(jié)中已說明，本小節(jié)主要說明電容器和接地開關(guān)的配置原則。

2.3.1 電容器

由于SFCL的存在，流過短路電流時串抗兩端存在較大壓差，當(dāng)電流過零熄滅時，線路或雜散電容上的殘壓較高，由于電容值較小，電容與限流電抗振蕩頻率較高，造成CB1存在高幅值、高頻率的振蕩，這造成CB1跳閘瞬間其斷口瞬態(tài)恢復(fù)電壓會升高，另外一個因素是相間的耦合進(jìn)一步增大了瞬態(tài)恢復(fù)電壓，從而可能影響斷路器正常開斷。與之相對應(yīng)的，對于沒有SFCL的線路，當(dāng)故障發(fā)生在近區(qū)時，通常起始部分存在高頻成分，但通常TRV幅值并不高；當(dāng)故障發(fā)生在線路遠(yuǎn)端時，TRV幅值相對較高，但陡度并不高。

為降低線路斷路器斷口暫態(tài)恢復(fù)電壓，可考慮采取在SFCL兩端并聯(lián)電容和增加對地電容的方法加以解決。使整個振蕩回路的振蕩頻率降低，從而降低了開關(guān)斷口暫態(tài)恢復(fù)電壓的陡度。圖2中C1和C2就是為了降低變電站側(cè)的斷路器開斷短路電流時引起的瞬態(tài)恢復(fù)電升高而設(shè)置的。具體電容值應(yīng)根據(jù)具體工程情況采用電磁暫態(tài)仿真軟件計算。

2.3.2 接地開關(guān)

接地開關(guān)的配置原則是在超導(dǎo)限流器或斷路器兩端配置接地開關(guān)，以便于超導(dǎo)限流器和斷路器的檢修。如圖3中的ES1和ES2設(shè)置在超導(dǎo)限流器和斷路器支路的兩端，ES3和ES4設(shè)置在旁路斷路器的兩端，在線路側(cè)配置了ES5以方便線路檢修。由于500 kV線路多為同塔雙回，該接地開關(guān)選型時需具備一定的切合感應(yīng)電流和電壓的能力。另外接地開關(guān)的配置還需考慮實際系統(tǒng)條件和運行人員的需求。

2.4 主接線方案的優(yōu)點

本接線方案，主要具有以下優(yōu)點：

1)接入系統(tǒng)的電氣接線方案可靠性高，對電網(wǎng)供電影響小。由于設(shè)計了旁路，500 kV線路可不通過SFCL運行。避免由于限流器檢修，試驗等原因造成線路停電。

2)運行狀態(tài)切換迅速。由于主回路和旁路均有配置了斷路器，限流器的各種運行狀態(tài)的切換速度迅速。

3)接入系統(tǒng)方案的工程可實施性高，施工便利。由于本方案不需改變原有變電站的設(shè)備接線和布置，只是在原出線側(cè)增加圖2所示設(shè)備，此設(shè)計有利于針對不同工程情況而實施，SFCL可安裝在一條線路的兩側(cè)變電站內(nèi)，也可安裝在線路中間。施工期間，不影響線路的正常運行。如果要拆除限流裝置，也可快速恢復(fù)到原有線路的接線情況。

根據(jù)本文1.2節(jié)故障情況分析，500 kV SFCL的設(shè)備可靠性較常規(guī)限流電抗器要低很多，而500 kV線路可靠性對電網(wǎng)系統(tǒng)運行影響巨大。500 kV SFCL尚處于示范研制階段，預(yù)計投入運行后投切較為頻繁，該接線方案適用于此情況，以減少線路停運概率。

3 接入系統(tǒng)平面布置

500 kV電網(wǎng)線路短路電流較大的多為雙回線路，雙回線路加裝SFCL的限流效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于單回線路加裝，因此本文研究主要考慮雙回限流加裝SFCL的情況。本文共提出兩種平面布置方案，以滿足不同站址建設(shè)條件下需求，單回加裝的方案可在雙回方案基礎(chǔ)上修改。

3.1 方案一

方案一如圖4所示，2組超導(dǎo)限流器水平“一”字布置，與出線方向垂直，設(shè)一個超導(dǎo)限流器繼電保護小室。該方案占地面積約112 m×122 m=13 664 m2。該方案超導(dǎo)限流器主回路開關(guān)元件采用常規(guī)敞開式設(shè)備，設(shè)備之間通過軟導(dǎo)線連接。旁路開關(guān)采用GIS布置在超導(dǎo)限流器的兩側(cè)，與超導(dǎo)限流器主回路通過GIL管道連接。在超導(dǎo)限流器前方設(shè)置一條5.5 m寬道路作為運輸和檢修通道，場地設(shè)置4 m的消防和檢修道路與5.5 m道路連接形成環(huán)形道路。在超導(dǎo)限流器附近設(shè)置事故油池。

圖4 500 kV SFCL接入系統(tǒng)平面布置圖一Fig. 4 Layout plan diagram 1 of 500 kV SFCL connecting to grid

由于該方案部分開關(guān)設(shè)備采用常規(guī)敞開式設(shè)備，設(shè)備投資較優(yōu)，適用于用地面積較充裕的情況，如在兩變電站線路中間建設(shè)子站或規(guī)劃中的待建變電站。

3.2 方案二

方案二如圖5所示，2組超導(dǎo)限流器水平“一”字布置，與出線方向垂直，設(shè)一個超導(dǎo)限流器繼電保護小室，占地面積約75 m×122 m=9 150 m2。該方案超導(dǎo)限流器主回路及旁路均采用GIS設(shè)備，設(shè)備之間通過GIL管道連接。其它設(shè)置基本同方案一。該方案占地面積優(yōu)于方案一，但設(shè)備造價比方案一高。適用于在用地條件較緊張的情況下，如可用于已建變電站進(jìn)行加裝兩回超導(dǎo)限流器的擴建。

圖5 500 kV SFCL接入系統(tǒng)平面布置圖二Fig.5 Layout plan diagram 2 of 500 kV SFCL connecting to grid

4 結(jié)論

500 kV SFCL目前仍屬于科研設(shè)備，從220 kV和35 kV的SFCL的運行狀況來看，其設(shè)備可靠性較常規(guī)限流電抗器低。500 kV線路的可靠運行對電網(wǎng)系統(tǒng)有非常重要的影響?；诖吮尘?，本文提出了適用于500 kV SFCL示范工程的推薦接線方案和平面布置方案。

接線方案具備完善的旁路回路以及相應(yīng)的保護功能，可確保在超導(dǎo)限流器發(fā)生故障或試驗投切時，裝設(shè)SFCL的線路不停電。接線方案還具有可靠性高，對電網(wǎng)影響小，可實施性高，便于施工的優(yōu)點。本文提出的兩種平面布置方案可分別適用于不同的工程環(huán)境條件，為相關(guān)示范工程的順利實施提供了技術(shù)準(zhǔn)備。

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(責(zé)任編輯 黃肇和)

Research on Connecting to Power Grid Engineering Solution for 500 kV Superconducting Fault Current Limiter

DING Wei

(China Energy Engineering Group Guangdong Electric Power Design Institute Co., Ltd., Guangzhou 510663, China)

Superconducting fault current limiter (SFCL) is an effective measure to limit short circuit current in power grid. The equipment research and development of 500 kV SFCL has been greatly developed. This paper makes a study on connecting to power grid engineering solution for 500 kV SFCL. Firstly, working principle of SFCL is introduced, and fault type of SFCL is classified according to 220 kV and 35 kV SFCL situation in operation. Then based on the equipment characters and demand of power grid, a recommend single line scheme is represented which has advantages such as, more reliability, flexible operation, and easy construction etc. In the end, two layout solutions for different engineering environment conditions are represented.

500 kV Superconducting fault current limiter (SFCL); connecting to power grid; single line scheme; layout

2016-05-03

中國能建廣東院科技項目：500 kV全戶內(nèi)變電站智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究項目(EX03641W)

丁偉(1987)，男，江西吉安人，工程師，碩士，主要從事變電設(shè)計及研究工作(e-mail)dingwei@gedi.com.cn。

10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2016.04.009

TM471

A

2095-8676(2016)04-0042-05