SFCL接入電網(wǎng)對接地短路阻抗繼電器接線的影響

劉 賓，梅 軍，鄭建勇，姚 磊

（1.東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；2.蘇州市電氣設(shè)備與自動化重點實驗室，江蘇 蘇州 215123）

0 引言

圖1 電阻型SFCL結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic diagram of resistive SFCL

目前電力系統(tǒng)容量不斷增加，各級電網(wǎng)中的短路電流水平也不斷增長，最高可達到額定電流的幾十倍[1]，這給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定帶來了很大隱患。隨著超導(dǎo)電力技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)故障限流器（SFCL）成為目前非常有效的短路電流限制裝置，它的限流特性具有很大的優(yōu)越性，有著良好的應(yīng)用前景[2-5]。

由于限流器應(yīng)用于配電網(wǎng)后會改變原線路固有的阻抗特性，必然會對電網(wǎng)中繼電保護尤其是距離保護產(chǎn)生影響[6-7]。在電力系統(tǒng)故障中，單相接地故障最為常見，占總故障次數(shù)的60%以上，而在中性點接地電網(wǎng)中，由于接入許多自耦變壓器，單相短路電流水平會大于三相短路電流水平[8]，對電網(wǎng)危害更大。當(dāng)系統(tǒng)中接入SFCL后，此故障的發(fā)生對距離保護影響很大，不僅要重新整定距離保護整定值，還要改進阻抗繼電器接線方式，在許多文獻中已介紹了接入SFCL后具體的整定方法，本文不再研究。

本文主要以電阻型SFCL為例分析接入SFCL對接地短路阻抗繼電器接線方式的影響，并提出一種新的阻抗繼電器接線方式，最后對這種接線方式進行仿真驗證，結(jié)果表明，此種接線方式的結(jié)構(gòu)比較簡單，而且與原接線方式相比能更好地反映線路故障情況，確保距離保護正確動作。

1 電阻型SFCL工作原理

電阻型SFCL原理圖[9]如圖1所示，它是由電阻限流線圈和超導(dǎo)觸發(fā)線圈并聯(lián)而成。電阻限流線圈選用常規(guī)材料，等效電阻為Rs，是防止超導(dǎo)體被燒毀而添加的旁路電阻；而超導(dǎo)觸發(fā)線圈則是由高溫超導(dǎo)線材繞制而成，具有超導(dǎo)特性，根據(jù)工作條件在超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)之間轉(zhuǎn)換。

當(dāng)線路處于正常工作狀態(tài)時，觸發(fā)線圈工作于超導(dǎo)態(tài)，阻值Rsc近似為零，旁路電阻此時被短路，線路電流全部通過觸發(fā)線圈，整個裝置的等效電阻很??；當(dāng)線路發(fā)生短路時，隨著短路電流的不斷增加，當(dāng)流過超導(dǎo)線圈的電流I大于其臨界電流Ie時，超導(dǎo)體失超，從零電阻的超導(dǎo)態(tài)自動轉(zhuǎn)化為高阻值的正常態(tài)，這時阻值Rsc=Rn，此時觸發(fā)線圈上的短路電流被自動轉(zhuǎn)向到限流線圈通路上，形成電阻回路，從而有效限制線路中的電流，并保護觸發(fā)線圈。

2 SFCL對單相接地短路阻抗繼電器接線方式的影響和解決方法

在中性點接地的電網(wǎng)中，當(dāng)零序電流保護不能滿足要求時，一般要采取接地距離保護，由于發(fā)生單相接地時，存在零序互感，不能給繼電器只加入故障相的相電壓和電流，目前工業(yè)應(yīng)用中距離保護接地短路阻抗繼電器接線方式[10]即各相繼電器上所加的電壓UJ和電流IJ通常為：

其中，K=（z0-z1）/（3z1），z1、z0為線路單位長度的正序和零序阻抗；I0為系統(tǒng)的零序電流。

如圖2所示，當(dāng)SFCL安裝在繼電器之后即位置2處時，會影響原線路的阻抗特性[11]，設(shè)A相在k處發(fā)生接地短路，SFCL失超狀態(tài)下等效阻抗為ZSFCL，故障點電壓UkA和故障相電流IA分解成各序?qū)ΨQ分量（其中下標(biāo)含1、2、0的分別表示正序、負序、零序分量），則有以下關(guān)系：

圖2 SFCL安裝位置示意圖Fig.2 Installation place of SFCL

原線路接入SFCL之后，當(dāng)短路電流超過SFCL的臨界電流時，SFCL瞬間失超，從零電阻的超導(dǎo)態(tài)瞬間自動轉(zhuǎn)化為高阻值的正常態(tài)，這時阻值Rsc=Rn（失超后的超導(dǎo)體電阻Rn非線性變大，其值是時間的函數(shù)），如圖 1（b）所示，在此過程中，SFCL 對外呈現(xiàn)高阻態(tài)，等效電阻為：

如圖3所示[9]，一方面由于電力系統(tǒng)要求SFCL能對第1個短路電流峰值進行限流，電阻型SFCL在故障發(fā)生后幾微秒內(nèi)即失超，失超后，失超電阻迅速增大，1 ms內(nèi)即可達到一較大阻值，而距離保護裝置將在大概 2 個周期（約 40 ms）之后動作[12-13]；另外在實際應(yīng)用中，如圖1（b）所示，為了防止超導(dǎo)線圈失超后的阻值過大而導(dǎo)致其兩端過電壓的發(fā)生，同時為了防止超導(dǎo)體過電流而被燒毀，與超導(dǎo)線圈并聯(lián)的限流線圈的阻值Rs（其值恒定不變）通常較超導(dǎo)體失超后的電阻值Rn小很多，因此SFCL整體對外呈現(xiàn)的阻抗值ZSFCL取決于Rs的大小，所以在分析電阻型SFCL對原線路距離保護影響的過程中，可認為SFCL失超后對外呈現(xiàn)為一近似恒定的阻值ZSFCL。

圖3 電阻型SFCL的工作原理示意圖Fig.3 Operational principle of resistive SFCL

由于SFCL為電阻型SFCL，故障時可以近似認為其各序阻抗值均為ZSFCL[14]，所以母線C上各對稱分量的電壓與短路點的對稱分量電壓之間有以下關(guān)系：

其中，l為故障發(fā)生點到保護安裝處的線路長度。

因此，在阻抗繼電器安裝處電壓為：

其中，K=（z0-z1）/（3z1），如果仍采用未接入 SFCL 前的阻抗繼電器接線方式，即如式（1）的接線方式，則阻抗繼電器的測量阻抗為：

此測量阻抗的值與I0/IA的比值有關(guān)，而這個比值因受到中性點接地數(shù)目和分布參數(shù)的影響，并不是常數(shù)，所以阻抗繼電器并不能準(zhǔn)確地反映從保護安裝處到短路點的阻抗值。

因此，需要考慮針對上述問題的解決辦法，對式（5）作如下變化：

所以有：

為了使距離保護裝置的測量阻抗值為常量，根據(jù)式（7）結(jié)果，可以給A相阻抗繼電器加入如下的電壓和電流：

這樣，加入SFCL后繼電器的測量阻抗將是：

此時由式（9）可知阻抗繼電器的測量阻抗恰好是短路點到保護安裝處的線路總正序阻抗值。因此，阻抗繼電器的三相接線方式可以變?yōu)椋?/p>

式（10）即為本文提出的新的阻抗繼電器接線方式，它能正確地測量從短路點到保護安裝處的阻抗，有效地解決了SFCL接入線路后對原阻抗繼電器的影響。

3 基于PSCAD/EMTDC的仿真分析

本文采用基于PSCAD/EMTDC軟件搭建模型進行仿真，為了方便分析，對線路作以下近似和假設(shè)：

a.假設(shè)SFCL安裝在圖2中的位置2處；

b.接入SFCL后，不論在保護線路何處發(fā)生線路接地故障，短路電流可降低至正常運行電流的90%以下；

c.線路CDⅠ段保護設(shè)置為保護線路全長的80%；

d.設(shè)置A相發(fā)生單相接地短路，故障發(fā)生時刻為0.2 s，故障持續(xù)時間0.1 s。

如圖4建立一個由2個相互獨立的電源向負荷供電的電路，其中各元件參數(shù)配置如下。

圖4 基于PSCAD/EMTDC的線路仿真線路模型Fig.4 Line model based on PSCAD/EMTDC

電源：線電壓230 kV，頻率60 Hz，兩電源初相分別為 φ1=0°、φ2=30°，兩電源內(nèi)阻均為 R=9.156 Ω、L=138.15 mH。

斷路器：B1設(shè)置為線路CD的Ⅰ段保護，受阻抗繼電器輸出信號的控制，當(dāng)短路故障發(fā)生在保護線路內(nèi)時，B1跳開，切除故障；而當(dāng)短路故障發(fā)生在保護線路之外時，B1不動作，初始狀態(tài)設(shè)置為閉合；B2不作研究，保持為閉合狀態(tài)；B3受控制信號的控制，線路正常運行時，B3保持閉合，當(dāng)線路發(fā)生短路時，B3打開，將SFCL串入線路，進入限流狀態(tài)，故障結(jié)束后，B3閉合。

架空線：分別設(shè)置Line1、Line2長度并設(shè)置故障發(fā)生的位置，線路全長為100 km，阻抗值為z1=z2=0.03621+j0.50826Ω/km，z0=0.09879+j1.38667Ω/km。

故障類型：A相發(fā)生單相接地短路，設(shè)置發(fā)生時刻為0.2 s，持續(xù)時間0.1 s。

系數(shù) K：其值為（z0-z1）/（3z1），一般近似認為零序阻抗角和正序阻抗角相等，用其模值表示，根據(jù)計算取K=0.57。

接入SFCL后，線路總阻抗會發(fā)生變化，因此要對線路距離保護進行重新整定，采用文獻[15-16]的整定方法（即當(dāng)測量阻抗ZJ在范圍中時，保護動作，其中ZIzd1為未接入SFCL時原線路I段保護整定值）對線路距離保護進行重新整定，保證線路理論保護范圍不受影響。

接入SFCL后，在新的整定值情況下，由上文的理論敘述可知，有2種阻抗繼電器接線方式：一種為原有的阻抗繼電器接線方式，即式（1）接線方式；另一種是本文提出的新的阻抗繼電器接線方式，即式（10）接線方式。為了對比分析這2種接線方式下阻抗繼電器的優(yōu)劣，并驗證新的接線方式的精確性和正確性，下面分別采用這2種接線方式進行仿真分析，設(shè)定線路分別在距離SFCL出口端10 km、60 km和90 km（即線路全長10%、60%和90%處，如圖2中的k1點、k點和k2點）發(fā)生A相單相接地故障，觀察距離保護是否正確動作，結(jié)果如圖5—7所示。

圖中，I、I1分別指原接線方式和新的接線方式下線路A相電流波形，c1為整定阻抗圓，c2為原阻抗繼電器接線方式下的測量阻抗相量終點軌跡（起點在原點），c3為新的接線方式下測量阻抗相量終點軌跡（起點在原點）。

如圖5所示，在距離SFCL出口10 km處發(fā)生A相接地短路，故障發(fā)生在整定范圍之內(nèi)，SFCL進入限流狀態(tài)，在原接線方式下由于測量阻抗值不能正確地反映故障點到保護安裝處的線路總阻抗值，導(dǎo)致測得的阻抗值偏小，小于保護裝置能夠動作的最小值，保護不動作，失去作用；而在新的接線方式下，測量阻抗值恰好等于故障點到保護安裝處的線路總阻抗值，此值落在距離保護整定值的范圍之內(nèi)，所以在0.218 s時保護動作，切除了故障。從圖5（b）中的阻抗特性曲線也可以看出c3軌跡進入阻抗圓c1內(nèi)部，說明保護動作，切斷了故障。

圖5 距離SFCL出口10 km發(fā)生A相單相接地Fig.5 Waveforms when grounding fault of phase A occurs at 10 km away from SFCL

如圖6所示，接地故障發(fā)生在距離SFCL出口60 km處，故障仍然發(fā)生在整定范圍之內(nèi)，此時由于故障發(fā)生在距離SFCL安裝處較遠的地方，故障點到保護安裝處的線路總阻抗值較大，即使在原接線方式下，測量阻抗不準(zhǔn)確，值偏小，但測量阻抗值仍足夠大，仍能落在距離保護整定值的范圍之內(nèi)，保護可以成功動作，切除了故障；而在新的接線方式下，測量阻抗值恰好等于故障點到保護安裝處的線路總阻抗值，此值落在距離保護整定值的范圍之內(nèi)，保護正確動作。從圖6（b）中阻抗特性曲線也可以看出測量阻抗c2和c3軌跡在故障時刻都進入整定阻抗圓c1內(nèi)部，說明保護動作，但2種接線方式下的測量阻抗值還是有較大差異。

圖6 距離SFCL出口60 km發(fā)生A相單相接地Fig.6 Waveforms when grounding fault of phase A occurs at 60 km away from SFCL

如圖7所示，接地故障發(fā)生在距離SFCL出口90 km處，因為整定范圍為線路全長的80%，此時超過保護線路末端10 km，理論上保護不應(yīng)該動作。在原阻抗繼電器接線方式下，由于測量阻抗值相對于實際阻抗值偏小，導(dǎo)致其值仍落在保護整定動作值范圍之內(nèi)，保護發(fā)生誤動；而在新的接線方式下，測量阻抗值恰好等于故障點到保護安裝處的線路總阻抗值，此值落在距離保護整定值的范圍之外，保護不動作。從圖7（b）也可以看出測量阻抗曲線c2進入整定圓c1內(nèi)部，說明保護發(fā)生誤動，而在新的接線方式下，測量阻抗曲線c3并沒有進入整定圓c1內(nèi)部，說明保護沒有動作，與理論分析相一致符合要求。

圖7 距離SFCL出口90 km發(fā)生A相單相接地Fig.7 Waveforms when grounding fault of phase A occurs at 90 km away from SFCL

通過對線路設(shè)置在不同位置處發(fā)生單相接地短路，觀察距離保護是否動作，可以得到2種接線方式的實際保護范圍差異很大，結(jié)果如表1所示。

表1 2種接線方式下動作范圍對比Tab.1 Comparison of action range of distance protection between two wiring modes

從表1可以看出，原接線方式下短路發(fā)生在距離SFCL出口52.8 km之前時，保護拒動失去保護功能，而在距離SFCL出口80 km整定范圍之外，即80～99.6 km時保護又誤動；新的接線方式下，實際動作保護區(qū)域與理論整定近似一致，有很好的準(zhǔn)確性，大幅降低了誤差。這也驗證了新的阻抗繼電器接線方式是非常有效和正確的。

4 結(jié)語

本文在原繼電器接線方式的基礎(chǔ)上，分析了接入電阻型SFCL對接線方式的影響，提出了一種新的阻抗繼電器接線方式，此方法比較簡便，保證了原線路的保護裝置能夠在系統(tǒng)發(fā)生短路故障時準(zhǔn)確動作，有效切除故障，具有很好的應(yīng)用前景；當(dāng)然，在本文的理論分析和仿真驗證中，對一些地方作了簡化處理（如近似認為SFCL瞬間失超且失超后阻值恒定；對于超高壓和特高壓線路，還應(yīng)對電抗和電阻分別求出補償系數(shù)等），所以有關(guān)SFCL與繼電保護相配合的研究還有待進一步探討。