超導故障限流器對高壓電網穩(wěn)定性影響

馬宏明,宋萌,胡南南,黑穎頓

(云南電網公司電力科學研究院,昆明 650217)

超導故障限流器對高壓電網穩(wěn)定性影響

馬宏明,宋萌,胡南南,黑穎頓

(云南電網公司電力科學研究院,昆明 650217)

超導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、自動響應等特點。飽和鐵芯型超導故障限流器由于結構簡單、動作特性良好、故障后恢復能力強等技術優(yōu)勢,是一種可以工程應用于高壓電網中的限流器。通過分析研究表明,該飽和鐵芯型超導故障限流器不僅可以在故障時有效地限制短路電流,而且還能對電網穩(wěn)定性產生積極的影響。

飽和鐵芯型超導故障限流器；短路電流；高壓電網；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,大電網互聯(lián)和跨國互聯(lián)的趨勢,大容量遠距離輸電的需求,發(fā)電機單機容量不斷增大,低阻抗大容量變壓器在現(xiàn)代低壓配電系統(tǒng)中的應用不斷增長以及配電網絡的不斷發(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)網不斷加強以及電網容量不斷擴大,這種矛盾會越來越突出。短路電流過大已經成為制約現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展的技術瓶頸之一。

為保證系統(tǒng)安全、可靠和穩(wěn)定運行,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。當前限制電力系統(tǒng)短路電流措施主要有[4-6]：

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

2)多母線分列運行和母線分段運行。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以及更高壓網絡一般不采用此方式；

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實現(xiàn)比較困難；另一方面,電力系統(tǒng)短路電流及斷路器設備遮斷容量太大會增加并聯(lián)設備的技術要求,是不經濟的；

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,實現(xiàn)限制短路電流水平,該措施還可補償線路電容電流,有效改善線路末端的電壓水平。但是該措施會增加網損、降低系統(tǒng)運行的穩(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,或對電網產生了不利影響,或技術實現(xiàn)困難。因此提出故障限流器的概念,其不改變系統(tǒng)的運行方式、網絡結構及正常運行狀態(tài)參數,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、自動響應等特點[7],是目前可應用于大容量、高電壓骨干電網中的功能特性較為理想的故障限制流的裝置。

1 超導故障限流器的分類及特點

超導故障限流器可根據不同劃分標準有不同的分類方式[8-9]：

1)根據超導材料劃分,分為低溫和高溫超導故障限流器；

2)根據工作原理劃分,分為失超型和非失超型超導故障限流器；

通常,失超型故障限流器是利用超導體超導體——正常態(tài)的轉變特性來限制故障電流。非失超型故障限流器不利用超導體的失超特性來達到限流的目的,則是利用超導材料在直流狀態(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)根據結構特點劃分,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 超導故障限流器的分類

超導故障限流器形式多樣,其應用的超導特性也不盡相同,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。常用的超導故障限流器原理圖及其各自的工作特點如圖2、表1所示[10-11]。

圖2 各類超導故障限流器原理結構圖

名稱　　原理　　優(yōu)點　　缺點橋路型正常時,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。當故障時,線路電流的幅值大于Io時,正半周期內二極管D3、D4均不導通,而在負半周期內D1、D2均不導通,高溫超導線圈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內從故障中恢復而不需要輔助系統(tǒng),其更適用于自動重合閘；總重量輕、費用較低高溫超導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損耗較大；需要添加電力二極管橋路和偏壓電源系統(tǒng),裝置結構比較復雜飽和鐵芯型一個鐵芯內的直流磁場與交流磁場同向,另一個則反向。正常運行時施加直流源,使兩個鐵芯達到深度飽和,則裝置呈現(xiàn)低阻抗；當輸電線路發(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超導線圈一般不失超,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,易導致限流效果較弱,在應用中需更多的鐵芯及交流繞組才能達到所需限流效果；直流高溫超導繞組還可能要承受高感應電壓的沖擊,需加強直流源保護磁屏蔽型　　利用超導體在超導態(tài)和正常態(tài)下磁特性(超導體的完全抗磁特性)變化超導材料用量較少,交流損耗低,低溫熱負荷小恢復時間長,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行時,三相超導繞組電流平衡,其和為零,鐵芯無磁通變化,裝置呈低阻抗。當發(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。當發(fā)生兩相或三相短路故障時,裝置電抗不增大,但當故障電流達到超導繞組的臨界電流時,超導繞組失超,故障電流被大的常態(tài)電阻所限制。單相對地故障時超導繞組一般不會失超,對于不對稱故障有較強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,超導繞組達到臨界電流失超,二次側自動接入高阻抗,限制故障電流。簡單易制作,質量輕、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,超導故障限流器一般需結合電力電子和現(xiàn)代控制技術,達到限流的目的,本文中提及的超導故障限流器,一般是指利用高溫超導帶材制作的高溫超導故障限流器 (HTSSFCL)[12]。其中失超型超導故障限流器基于S/N轉換原理,其利用超導體的失超特性實現(xiàn)限制短路電流的目的,它們的優(yōu)勢是原理和結構比較簡單,但是超導帶材失超后再次轉換為超導狀態(tài)需要快速制冷,但目前的制冷系統(tǒng)的響應時間較長,達秒級單位,所以一般不適于高壓電網。不失超型超導故障限流器則充分利用高溫超導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,其與電力技術有機結合并有向多功能化發(fā)展的趨勢,將成為今后超導故障限流器研究的重點方向。特別是飽和鐵芯型超導故障限流器可以滿足自動重合閘等運行要求,且結構相對簡單,易于工程實現(xiàn)。

2 飽和鐵芯型超導故障限流器

2.1 飽和鐵芯型超導故障限流器工作原理

圖3給出了雙鐵芯飽和超導限流器原理結構圖。飽和鐵芯型超導限流器利用鐵芯的飽和特性來達到限流的效果,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；直流超導繞組則會產生一個很強的直流磁場,使鐵芯處于深度飽和狀態(tài)[13-14]。

圖3 鐵芯飽和超導限流器原理結構圖

飽和鐵芯型超導限流器在穩(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生的交流磁場不足以使鐵芯脫離飽和區(qū),使得鐵芯內的磁通量幾乎不變,鐵芯磁導率較低。根據電磁感應定律,磁通量的不變意味交流繞組的感應電動勢為零,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。當故障發(fā)生時,在瞬間增大的短路電流沖擊下,交流繞組產生的磁通勢增加至超過超導繞組的磁通勢,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。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 飽和鐵芯型超導故障限流器工作模式

飽和鐵芯型超導故障限流器的工作模式如圖4所示,當交流系統(tǒng)中的電流大于限流器啟動電流值后,限流器進入限流模式,交流繞組感抗增加,兩端電壓變大；隨著交流側電流的繼續(xù)增大,使得鐵芯進一步脫離飽和狀態(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,在飽和鐵芯型超導故障限流器的設計時應充分考慮系統(tǒng)最大短路電流,以達到理想的限流效果。

圖4 飽和鐵芯型超導故障限流器的工作模式

3 對高壓電網穩(wěn)定性分析

3.1 飽和鐵芯型超導故障限流器建模

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

圖5 理想超導限流器的電流-阻抗特性曲線

根據實際要求和工程可行性,廣東電網公司和云電英納提出的500 kV飽和鐵芯型超導限流器的電流-電阻特性曲線,然后對該特性曲線進行線性擬合,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 分段線性擬合的實際超導限流器的電流-阻抗特性曲線

曲線A為超導限流器帶直流時的阻抗特性曲線,曲線B為超導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)初始運行時,超導限流器有直流勵磁,發(fā)生故障時,為了保護直流電源,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語言直接調用PSS/E內部提供的API函數,再根據飽和鐵芯型超導限流器的數學模型和電流-阻抗特性曲線,建立了理想超導故障限流器和實際超導故障限流器的仿真模型。

圖7 自定義模型

3.2 超導故障限流器對電網穩(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。由于超導故障限流器主要計劃在發(fā)電廠密集區(qū)域或重負荷區(qū)域安裝,該區(qū)域相對更關注功角穩(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)定性兩方面著手進行電網穩(wěn)定性分析。

通過調研發(fā)現(xiàn),2013年云南電網500 kV電網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,隨著未來電網的建設以及電源的投產,短路電流還將有進一步的增加,因此有安裝超導故障限流器的必要性。通過對具體安裝點的理論計算和分析,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據?.sav中,以及讀取流過超導限流器的電流,需要改變原始的潮流數據,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,超導故障限流器安裝示意圖如圖8所示。設置SFCL1和SFCL2的初始阻抗值為穩(wěn)態(tài)阻抗值。

假設仿真時間1 s時,設置861019-10支線故障,在母線861019側發(fā)生三相接地故障 (區(qū)內故障),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 超導故障限流器安裝示意圖

圖9 流過超導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,超導故障限流器恢復需要極短時間,相比未加超導故障限流器時,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,加裝理想超導限流器、實際超導限流器,電壓下降幅度都有所減小,但是加超導限流器較未加超導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相對較快。對于圖10中的 (b)來說,未加超導限流器和加超導限流器時,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。但是加超導限流器比未加超導限流器母線電壓上升較快。因此,飽和鐵芯型超導故障限流器不僅不對電壓穩(wěn)定產生影響,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)電機的功角特性曲線。加裝超導限流器后,功角衰減幅度比未加超導限流器大。因此,飽和鐵芯型超導故障限流器對近端的發(fā)電機功角產生積極影響,有利于系統(tǒng)的功角穩(wěn)定。

綜上所述,飽和鐵芯型超導故障限流器在正常運行狀態(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)定性和用電質量；當發(fā)生短路故障時,可以立即產生高阻抗,限制電網的故障短路電流水平,并且給電網的穩(wěn)定性帶來積極的影響。

4 結束語

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

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

2)飽和鐵芯型超導故障限流器安裝于高壓電網中,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)飽和鐵芯型超導故障限流器可以根據實際電網的參數需要進行設計,將故障電流限制在電網允許的短路電流范圍內,以保證系統(tǒng)安全、可靠和穩(wěn)定運行。

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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,云南電網公司電力科學研究院,從事設備狀態(tài)檢修、高溫超導電力技術等方面的研究工作 (e-mail)ncepuming＠126.com。