米警偉， 蘇小林， 閻曉霞， 譚逸雪(山西大學(xué)，山西 太原　030013)

0　引　言

隨著用電需求的增大和電網(wǎng)規(guī)模的發(fā)展，電網(wǎng)短路電流水平呈日益增大趨勢，國內(nèi)有些電網(wǎng)短路電流已接近甚至超過現(xiàn)有斷路器的遮斷容量，危及電網(wǎng)安全[1]335。傳統(tǒng)限流措施由于技術(shù)和經(jīng)濟因素的限制，不能很好地解決該類問題，必須應(yīng)用先進的限流技術(shù)。超導(dǎo)限流器集自檢測、觸發(fā)、限流于一體，對電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行影響小，電網(wǎng)短路時能快速動作限流，且恢復(fù)時間短等，已成為當前應(yīng)用于電力系統(tǒng)最理想的限流裝置之一[1]336。

目前，超導(dǎo)限流器有電阻型、飽和鐵心型、磁屏蔽型、變壓器型、橋路型和混合型等多種類型，各類超導(dǎo)限流器都有其各自的優(yōu)勢和不足，適合不同的應(yīng)用需求。其中，混合型超導(dǎo)限流器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕，且失超后恢復(fù)時間短等優(yōu)點，是一種有廣泛應(yīng)用前景的理想限流器。

將超導(dǎo)限流器配置于配電系統(tǒng)中，對原有繼電保護裝置的整定、動作與運行會產(chǎn)生一定程度的影響[2]1，需要研究超導(dǎo)限流器與繼電保護的協(xié)調(diào)配合問題。

目前，國內(nèi)外已有相關(guān)文獻開展了該問題的研究。國內(nèi)研究主要集中在高中壓電網(wǎng)中超導(dǎo)限流器對距離保護的影響，并且主要是基于飽和鐵心型超導(dǎo)限流器的應(yīng)用研究[3]98。國外研究較多的是小容量的超導(dǎo)限流器在含有分布式電源的低壓配電網(wǎng)中對繼電保護的影響[4]。然而，根據(jù)國內(nèi)實際電網(wǎng)運行情況，在配電系統(tǒng)中，35 kV的配電系統(tǒng)，存在有短路電流超標問題[5]。例如，2009年廣西省賀州地區(qū)短路電流超標使得電流互感器爆炸[6]，超過斷路器額定遮斷容量，并對變壓器的正常運行有嚴重威脅。

根據(jù)實際應(yīng)用需求和成本分析，使用混合型超導(dǎo)限流器具有更大的優(yōu)勢[7]。為此，本文以混合型超導(dǎo)限流器在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用對繼電保護的影響為研究內(nèi)容。

1　混合型超導(dǎo)限流器

1.1　混合型超導(dǎo)限流器的組成

混合型超導(dǎo)限流器由快速開關(guān)、限制電流部分、控制電路部分和超導(dǎo)元件組成，如圖1所示?；旌闲统瑢?dǎo)限流器中的快速開關(guān)由兩個真空開關(guān)(開關(guān)1和開關(guān)2 )和電磁驅(qū)動桿(包含電磁阻尼盤和金屬桿)組成。電磁驅(qū)動桿兩端分別聯(lián)動真空開關(guān)，在故障和正常狀態(tài)下快速切換真空開關(guān)1 和真空開關(guān)2。限流部分主要由真空開關(guān)(開關(guān)3)和限流元件組成，限流元件是具有一定阻值的電阻，在故障情況下限制短路電流。控制電路部分由電流互感器、控制電路、電壓互感器組成，通過電流互感器和電壓互感器接受電流和電壓信號，控制開關(guān)3 的通斷。

超導(dǎo)元件是由超導(dǎo)材料(YBCO)組成的，放置在液氮環(huán)境中。

圖1　混合型超導(dǎo)限流器的拓撲結(jié)構(gòu)圖

1.2　混合型超導(dǎo)限流器的動作特性

電網(wǎng)正常運行時，超導(dǎo)限流器中的電磁驅(qū)動桿使開關(guān)1處于斷開狀態(tài)，開關(guān)2處于閉合狀態(tài)，控制電路控制開關(guān)3使其處于閉合狀態(tài)。此時，電網(wǎng)電流流經(jīng)開關(guān)2和超導(dǎo)元件。由于，超導(dǎo)元件處于超導(dǎo)態(tài)，其阻抗值幾乎為零。因此，電網(wǎng)正常運行時，混合型超導(dǎo)限流器對電網(wǎng)沒有影響。

當電網(wǎng)出現(xiàn)短路故障時，混合型超導(dǎo)限流器將依次按下面步驟動作。

(1)故障電流If流過開關(guān)2和超導(dǎo)元件，由于短路故障電流If大于超導(dǎo)元件的臨界電流Ic，超導(dǎo)元件失超呈現(xiàn)高阻態(tài)限制短路電流，同時電磁驅(qū)動桿線圈電流增大，在電磁驅(qū)動桿作用下，聯(lián)動開關(guān)1和開關(guān)2，使開關(guān)1閉合、開關(guān)2斷開。

(2)在電磁驅(qū)動桿驅(qū)動向開關(guān)2斷開、開關(guān)1閉合的過程中，短路故障電流If分別流過電磁驅(qū)動桿中的電磁阻尼盤與開關(guān)3組成的支路和開關(guān)2與超導(dǎo)元件組成的支路，這兩條支路并聯(lián)。在此過程中主要由超導(dǎo)元件失超進行限制故障電流。

(3)在電磁驅(qū)動桿的作用下開關(guān)2即將斷開且開關(guān)1即將閉合的瞬間，控制電路部分通過電流互感器、電壓互感器和控制回路的作用使得開關(guān)3同時斷開，短路故障電流全部流經(jīng)開關(guān)1和限流元件，由限流元件限制短路故障電流。與此同時，超導(dǎo)元件進入恢復(fù)超態(tài)的過程。

(4)短路故障電流消除后，電磁驅(qū)動桿線圈電流減小，在電磁驅(qū)動桿的作用下，聯(lián)動開關(guān)1和開關(guān)2，使開關(guān)1斷開，開關(guān)2閉合，且控制電路部分作用使開關(guān)3閉合，超導(dǎo)限流器完成復(fù)位，為下次動作做好準備。

1.3　混合型超導(dǎo)限流器阻抗特性

混合型超導(dǎo)限流器在限流過程中呈現(xiàn)的隨時間變化阻抗特性曲線如圖2所示。當系統(tǒng)在t0時刻發(fā)生短路故障，在t0至t1時間段內(nèi)超導(dǎo)元件失超，阻抗值呈現(xiàn)指數(shù)形式增長。短路電流在t1時刻使驅(qū)磁線圈動作，在t1至t2時刻驅(qū)磁線圈與超導(dǎo)元件并聯(lián)限流，在此期間H-SFCL的阻抗近似線性變化。驅(qū)磁線圈動作結(jié)束后進入t2時刻，在t2至t3表示僅由H-SFCL的限流元件作用限制短路電流，H-SFCL的阻抗幾乎為定值。t3時刻表示短路故障結(jié)束后，H-SFCL的阻抗瞬間變?yōu)榱恪?/p>

圖2　混合型超導(dǎo)限流器故障后阻抗變化曲線

混合型超導(dǎo)限流器在失超后對外電路呈現(xiàn)的阻抗數(shù)學(xué)方程如下：

(1)

ZSFCL(t)=[a(t-t1)+Rr]/jx(t1

(2)

ZSFCL(t)=ZRLC(t2

(3)

ZSFCL(t)=0(t3

(4)

式中：t0表示超導(dǎo)元件失超的時刻；Rn表示超導(dǎo)元件剛失超后的聚集電阻；TF為超導(dǎo)原件失超過程中的時間常數(shù)；t1表示驅(qū)磁線圈動作的時刻；Rr表示超導(dǎo)元件失超后恢復(fù)的聚集電阻；a表示電阻恢復(fù)斜率；jx表示驅(qū)磁線圈的電抗值；t2表示H-SFCL的限流元件工作初始時刻；ZRLC表示限流元件的阻抗值；t3表示H-SFCL的限流元件工作結(jié)束時刻。

2　混合型超導(dǎo)限流器仿真模型與仿真研究

2.1　混合型超導(dǎo)限流器仿真模型

為了研究混合型超導(dǎo)限流器的原理的可行性和為今后的試驗應(yīng)用提供基礎(chǔ)，根據(jù)混合型超導(dǎo)限流器的組成和元件特性[8]，在Simulink環(huán)境下搭建仿真模型。圖3所示為混合型超導(dǎo)限流器的仿真模型。

混合型超導(dǎo)限流器的仿真模型中，快速開關(guān)部分由電磁驅(qū)動子模塊和兩個開關(guān)模塊組成；控制電路模塊由控制電路子模塊、電流和電壓互感器組成，限制電流部分由限流元件模塊和開關(guān)模塊組成；超導(dǎo)部分由超導(dǎo)元件子模塊組成。系統(tǒng)發(fā)生故障后，混合型超導(dǎo)限流器的仿真模型工作如下:

(1)超導(dǎo)元件模塊的電阻值在0.5 ms內(nèi)迅速增大限制短路電流[9]14；(2)電磁模塊中檢查到的電流增大信號，驅(qū)使開關(guān)2斷開，開關(guān)1閉合，需要耗時2 ms，在此過程中是電磁驅(qū)動模塊中的電阻和超導(dǎo)元件進行并聯(lián)限流；(3)當快速開關(guān)部分即將完成開關(guān)2斷開，開關(guān)1閉合的瞬間，控制電路中的電壓互感器和電流互感器檢測的電壓和電流數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂频碾娐?，通過控制回路的信息處理和邏輯控制，同時完成開關(guān)3的斷開，故障電流完全有限流元件限制，在此過程中超導(dǎo)元件由于沒有電流通過，可以完成由高阻態(tài)到超導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)變；(4)當故障結(jié)束后，限流器按照(3)、(2)、(1)的步驟完成動作，恢復(fù)至正常態(tài)。

圖3　混合型超導(dǎo)限流器的仿真模型

圖4　裝設(shè)混合型超導(dǎo)限流器的電路拓撲結(jié)構(gòu)圖

2.2　混合型超導(dǎo)限流器仿真研究

將混合型超導(dǎo)限流器仿真模型，接入簡單的單相電路中，以研究混合型超導(dǎo)限流器限流和工作特性，如圖4所示。該仿真系統(tǒng)由發(fā)電機、變壓器、混合型超導(dǎo)限流器和饋線1組成，系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示，饋線電流由I1表示。

表1　系統(tǒng)主要參數(shù)

(1)當系統(tǒng)裝設(shè)H-SFCL時，仿真系統(tǒng)在0.5 s發(fā)生接地故障時，電流I1的變化，如圖5所示。

圖5　裝設(shè)H-SFCL的系統(tǒng)故障電流波形

由圖5可知，系統(tǒng)在0.5 s時刻F1處發(fā)生接地故障后，電流I1迅速增大且峰值超過150 A，系統(tǒng)裝設(shè)H-SFCL可以降低故障電流至120 A左右，如I1的電流波形所示。在混合型超導(dǎo)限流器仿真模型中，限流器正常運行時阻抗值為0 Ω，當故障發(fā)生0.5 ms后超導(dǎo)元件的阻抗值增大為0.06 Ω[9]15，在故障發(fā)生1 ms后驅(qū)磁線圈動作，此時驅(qū)磁線圈的阻抗為0.016 H，超導(dǎo)元件和驅(qū)磁線圈并聯(lián)限制短路電流，在故障發(fā)生2 ms后超導(dǎo)元件和驅(qū)磁線圈斷開，僅由限流元件限制故障電流，其阻值為0.075 Ω。另外，利用限流元件限制短路電流的間隔時間，超導(dǎo)元件和驅(qū)磁線圈可以很快地恢復(fù)至初始狀態(tài)。因此，混合型超導(dǎo)限流器的恢復(fù)時間很短。

圖6　故障發(fā)生后H-SFCL內(nèi)部電流變化

(2)當系統(tǒng)裝設(shè)H-SFCL時，仿真系統(tǒng)在0.5 s發(fā)生單相接地短路故障，H-SFCL內(nèi)部電流變化如圖6所示。

由圖6可知，故障情況下，混合型超導(dǎo)限流器內(nèi)部電流的變化與理論分析的運行和動作流程相一致。首先超導(dǎo)元件失超呈現(xiàn)高阻態(tài)限制故障電流，同時電磁驅(qū)動桿電流增大，如超導(dǎo)元件線路電流波形和驅(qū)磁線圈線路電流波形所示；然后限流元件動作限制故障電流，如限流元件回路電流波形所示。

3　混合型超導(dǎo)限流器與繼電保護的協(xié)調(diào)配合

針對超導(dǎo)限流器在配電系統(tǒng)中與繼電保護協(xié)調(diào)配合，本文主要研究與過流保護的協(xié)調(diào)配合問題。

目前，配電系統(tǒng)普遍采用反時限過流保護，當故障電流越大，保護動作時限越短，電流小時故障動作時限自動加長，能夠很好地解決保護靈敏性和選擇性問題[3]99，并且具有可靠性高和經(jīng)濟性好的問題。

(5)

即當故障發(fā)生后，由于裝設(shè)H-SFCL使短路電流減小，反時限過流保護有可能會因為短路電流小于其動作時限延長或者保護拒動。因此，在裝設(shè)H-SFCL后必須重新整定電流保護。

假設(shè)裝設(shè)H-SFCL的情況下，已知流過保護的故障電流值，可應(yīng)用如下公式計算主保護動作時間tprimary和后備保護動作時間tback-up:

(6)

(7)

(8)

(9)

式中:系數(shù)A、B和C由IEEE Std.C37.112的不同類型反時限特性曲線確定;TDS為時間系數(shù);If，primary和If，back-up為流過主后備保護的故障電流，Ipick-up，primary和Ipick-up，back-up為主后備保護的動作電流。另外，通過設(shè)置時間系數(shù)TDS可以調(diào)整繼電器的動作時間。為了確保繼電保護的協(xié)調(diào)配合，在故障發(fā)生的位置主保護動作時間必須短于后備保護，則主后備保護的約束條件為：

tback-up-tprimary≥ΔT

(10)

ΔT為保護范圍內(nèi)允許后備保護切除故障的最小時間間隔，包括斷路器跳閘時間、繼電器可能出現(xiàn)的提早閉合點的時間和考慮計算短路電流可能產(chǎn)生的誤差而留有的一定裕度[2]4。

因此，在裝設(shè)H-SFCL后的系統(tǒng)中，通過重新計算主后備保護的動作時間，然后滿足主后備保護的約束條件，即完成了混合型超導(dǎo)限流器與過流保護的配合。

4　仿真實例驗證

為了比較裝設(shè)混合型超導(dǎo)限流器的配電系統(tǒng)在故障環(huán)境下保護整定前與把保護整定后的差異，驗證整定方法的可靠性，采用Simulink軟件搭建模型進行仿真分析，參照某市35 kV配電系統(tǒng)的典型配電系統(tǒng)搭建模型，系統(tǒng)參數(shù)配置如下。電源：50 Hz，35 kV；線路AB=17.7 km，AC=12.5 km，BD=13.6 km，BE=15.6 km，CF=14.9 km，其中線路阻抗為R=0.131 Ω/km,X=0.372 Ω/km;負荷Load1=120+j0.287；Load2=130+j0.356；Load3=200+j0.596。系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7　 配電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖

當該系統(tǒng)正常運行時，線路AB處的電流I1為146 A，在F1處發(fā)生短路故障時，各種短路情況下的短路電流值如表2所示。

表2　各種情況下線路AB處的短路電流

經(jīng)過仿真分析可知，系統(tǒng)在三相短路中的短路故障電流最大。因此，以下分析均為系統(tǒng)的三相短路故障情況下進行的。

(1)當系統(tǒng)沒有裝設(shè)H-SFCL時，如圖8所示。在0.5 s時刻F1處發(fā)生短路故障，I1處的故障電流大于500 A。由于I1處的短路故障電流大于繼電保護動作的動作值，因此繼電保護在故障后0.024 s將故障線路斷開。

圖8　未裝設(shè)H-SFCL時的線路AB處的電流波形

(2)當系統(tǒng)裝設(shè)H-SFCL時，如圖9所示，同樣在0.5 s時刻F1處發(fā)生短路故障，I1處故障電流超過系統(tǒng)正常運行電流，H-SFCL動作限制故障電流，使得故障電流限制在285 A以內(nèi)，低于繼電保護裝置動作值，則保護裝置不動作，故障線路沒有被切斷，故障仍存在。此時需要重新整定繼電保護裝置的動作值，使被H-SFCL限制后，斷路器能夠正常開斷。

圖9　裝設(shè)H-SFCL時的線路AB處的電流波形

圖10　裝設(shè)H-SFCL時保護重新整定后的線路AB處的電流波形

(3)裝設(shè)H-SFCL的系統(tǒng)，重新整定繼電保護裝置的動作值后，當系統(tǒng)在0.5 s時刻F1處發(fā)生短路故障的電流波形如圖10所示。

由圖10可知，系統(tǒng)在0.5 s時刻發(fā)生故障，H-SFCL動作限制故障電流的增長，并且繼電保護裝置動作，在故障發(fā)生后0.033 s切斷故障限流。相比沒有裝設(shè)H-SFCL的故障系統(tǒng)，故障切除時間延長0.009 s。

因此，系統(tǒng)裝設(shè)H-SFCL后，必須重新整定繼電保護的動作值，才能可靠地切除故障線路對系統(tǒng)的影響。

5　結(jié)束語

電力系統(tǒng)中裝設(shè)超導(dǎo)限流器可以有效地增強系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。本文分析混合型超導(dǎo)限流器限制短路故障電流能力，并研究混合型超導(dǎo)限流器與繼電保護協(xié)調(diào)配合的問題。描述了混合型超導(dǎo)限流器可以有效地降低短路故障電流，提出解決混合型超導(dǎo)限流器和繼電保護協(xié)調(diào)配合的方法。通過重新整定繼電保護的動作值消除超導(dǎo)限流器對繼電保護的影響，為推廣超導(dǎo)限流器在電網(wǎng)中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1] 張翠萍. 高溫超導(dǎo)限流器的研究進展[J]. 中國材料進展，2017,36(5)：335-345.

[2] 葉林，林良真. 超導(dǎo)故障限流器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].中國電機工程學(xué)報,2000,20(7):1-4.

[3] 李斌，歐逸哲. 飽和鐵心型超導(dǎo)限流器對電力系統(tǒng)保護的影響[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù)，2015,9(12)：98-102.

[4] ZEINELDIN H H, YASSER ABDEL RADY I MOHAMED, VINOD KHADKIKAR, et al. A protection coordination index for evaluating distributed generation impacts on protection for meshed distribution systems [J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2013, 4(3)：1523-1532.

[5] 信贏，龔偉志，高永全，等. 35 kV/90 MVA 掛網(wǎng)運行超導(dǎo)限流器結(jié)構(gòu)與性能介紹[J]. 稀有金屬材料與工程,2008,37(4):275-279.

[6] 謝海，姚強. 一起35 kV電流互感器爆炸事故原因[J].中國電力，2011,6(44)：78-82.

[7] MALOTH NARESH, NAVNEET KUMAR SINGH, ASHEESH KUMAR SINGH. Superconducting fault current limiter for grid connected power system protection[C]. IEEE Conference Publications，2016：576-581.

[8] 張玉紅，張彥濤，李付強，等. 故障電流限制器參數(shù)選擇的解析法研究[J].電工電能新技術(shù)，2016,35(2)：31-37.

[9] 李曉松,劉娟. 超導(dǎo)限流器掛網(wǎng)運行繼電保護定值整定計算[J]. 云南電力技術(shù)，2008,36(4):14-15.