配電系統(tǒng)中超導(dǎo)限流器與繼電保護(hù)的配合研究

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(shì)，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(jì)因素的限制，不能很好地解決該類問題，必須應(yīng)用先進(jìn)的限流技術(shù)。超導(dǎo)限流器集自檢測(cè)、觸發(fā)、限流于一體，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行影響小，電網(wǎng)短路時(shí)能快速動(dòng)作限流，且恢復(fù)時(shí)間短等，已成為當(dāng)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(shì)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(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，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(duì)原有繼電保護(hù)裝置的整定、動(dòng)作與運(yùn)行會(huì)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(hù)的協(xié)調(diào)配合問題。

目前，國內(nèi)外已有相關(guān)文獻(xiàn)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(duì)距離保護(hù)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(duì)繼電保護(hù)的影響[4]。然而，根據(jù)國內(nèi)實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)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(biāo)問題[5]。例如，2009年廣西省賀州地區(qū)短路電流超標(biāo)使得電流互感器爆炸[6]，超過斷路器額定遮斷容量，并對(duì)變壓器的正常運(yùn)行有嚴(yán)重威脅。

根據(jù)實(shí)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(shì)[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(duì)繼電保護(hù)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(gè)真空開關(guān)(開關(guān)1和開關(guān)2 )和電磁驅(qū)動(dòng)桿(包含電磁阻尼盤和金屬桿)組成。電磁驅(qū)動(dòng)桿兩端分別聯(lián)動(dòng)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?？刂齐娐凡糠钟呻娏骰ジ衅?、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(hào)，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?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1.2　混合型超導(dǎo)限流器的動(dòng)作特性

電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，超導(dǎo)限流器中的電磁驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(yùn)行時(shí)，混合型超導(dǎo)限流器對(duì)電網(wǎng)沒有影響。

當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，混合型超導(dǎo)限流器將依次按下面步驟動(dòng)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(shí)電磁驅(qū)動(dòng)桿線圈電流增大，在電磁驅(qū)動(dòng)桿作用下，聯(lián)動(dòng)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(dòng)桿驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(jìn)行限制故障電流。

(3)在電磁驅(qū)動(dòng)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(shí)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(shí)，超導(dǎo)元件進(jìn)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(dòng)桿線圈電流減小，在電磁驅(qū)動(dòng)桿的作用下，聯(lián)動(dòng)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(dòng)作做好準(zhǔn)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(shí)間變化阻抗特性曲線如圖2所示。當(dāng)系統(tǒng)在t0時(shí)刻發(fā)生短路故障，在t0至t1時(shí)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(shí)刻使驅(qū)磁線圈動(dòng)作，在t1至t2時(shí)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(dòng)作結(jié)束后進(jìn)入t2時(shí)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(shí)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(duì)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(shí)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(shí)間常數(shù)；t1表示驅(qū)磁線圈動(dòng)作的時(shí)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(shí)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(shí)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(yàn)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(dòng)子模塊和兩個(gè)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(hào)，驅(qū)使開關(guān)2斷開，開關(guān)1閉合，需要耗時(shí)2 ms，在此過程中是電磁驅(qū)動(dòng)模塊中的電阻和超導(dǎo)元件進(jìn)行并聯(lián)限流；(3)當(dāng)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(cè)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(shí)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(dāng)故障結(jié)束后，限流器按照(3)、(2)、(1)的步驟完成動(dòng)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?fù)浣Y(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(jī)、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(dāng)系統(tǒng)裝設(shè)H-SFCL時(shí)，仿真系統(tǒng)在0.5 s發(fā)生接地故障時(shí)，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(shí)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(yùn)行時(shí)阻抗值為0 Ω，當(dāng)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(dòng)作，此時(shí)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(shí)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(shí)間很短。

圖6　故障發(fā)生后H-SFCL內(nèi)部電流變化

(2)當(dāng)系統(tǒng)裝設(shè)H-SFCL時(shí)，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(yùn)行和動(dòng)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(shí)電磁驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(hù)的協(xié)調(diào)配合

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

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

(5)

即當(dāng)故障發(fā)生后，由于裝設(shè)H-SFCL使短路電流減小，反時(shí)限過流保護(hù)有可能會(huì)因?yàn)槎搪冯娏餍∮谄鋭?dòng)作時(shí)限延長或者保護(hù)拒動(dòng)。因此，在裝設(shè)H-SFCL后必須重新整定電流保護(hù)。

假設(shè)裝設(shè)H-SFCL的情況下，已知流過保護(hù)的故障電流值，可應(yīng)用如下公式計(jì)算主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間tprimary和后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)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(shí)限特性曲線確定;TDS為時(shí)間系數(shù);If，primary和If，back-up為流過主后備保護(hù)的故障電流，Ipick-up，primary和Ipick-up，back-up為主后備保護(hù)的動(dòng)作電流。另外，通過設(shè)置時(shí)間系數(shù)TDS可以調(diào)整繼電器的動(dòng)作時(shí)間。為了確保繼電保護(hù)的協(xié)調(diào)配合，在故障發(fā)生的位置主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間必須短于后備保護(hù)，則主后備保護(hù)的約束條件為：

tback-up-tprimary≥ΔT

(10)

ΔT為保護(hù)范圍內(nèi)允許后備保護(hù)切除故障的最小時(shí)間間隔，包括斷路器跳閘時(shí)間、繼電器可能出現(xiàn)的提早閉合點(diǎn)的時(shí)間和考慮計(jì)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(jì)算主后備保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間，然后滿足主后備保護(hù)的約束條件，即完成了混合型超導(dǎo)限流器與過流保護(hù)的配合。

4　仿真實(shí)例驗(yàn)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(hù)整定前與把保護(hù)整定后的差異，驗(yàn)證整定方法的可靠性，采用Simulink軟件搭建模型進(jìn)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(fù)荷Load1=120+j0.287；Load2=130+j0.356；Load3=200+j0.596。系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7　 配電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

當(dāng)該系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，線路AB處的電流I1為146 A，在F1處發(fā)生短路故障時(shí)，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(jìn)行的。

(1)當(dāng)系統(tǒng)沒有裝設(shè)H-SFCL時(shí)，如圖8所示。在0.5 s時(shí)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(hù)動(dòng)作的動(dòng)作值，因此繼電保護(hù)在故障后0.024 s將故障線路斷開。

圖8　未裝設(shè)H-SFCL時(shí)的線路AB處的電流波形

(2)當(dāng)系統(tǒng)裝設(shè)H-SFCL時(shí)，如圖9所示，同樣在0.5 s時(shí)刻F1處發(fā)生短路故障，I1處故障電流超過系統(tǒng)正常運(yùn)行電流，H-SFCL動(dòng)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(hù)裝置動(dòng)作值，則保護(hù)裝置不動(dòng)作，故障線路沒有被切斷，故障仍存在。此時(shí)需要重新整定繼電保護(hù)裝置的動(dòng)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(shí)的線路AB處的電流波形

圖10　裝設(shè)H-SFCL時(shí)保護(hù)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(hù)裝置的動(dòng)作值后，當(dāng)系統(tǒng)在0.5 s時(shí)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(shí)刻發(fā)生故障，H-SFCL動(dòng)作限制故障電流的增長，并且繼電保護(hù)裝置動(dòng)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(shí)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(hù)的動(dòng)作值，才能可靠地切除故障線路對(duì)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(qiáng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)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(hù)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(hù)協(xié)調(diào)配合的方法。通過重新整定繼電保護(hù)的動(dòng)作值消除超導(dǎo)限流器對(duì)繼電保護(hù)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)。

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