SFCL接入电网对接地短路阻抗继电器接线的影响

刘 宾，梅 军，郑建勇，姚 磊

（1.东南大学 电气工程学院，江苏 南京 210096；2.苏州市电气设备与自动化重点实验室，江苏 苏州 215123）

0 引言

图1 电阻型SFCL结构原理图Fig.1 Schematic diagram of resistive SFCL

目前电力系统容量不断增加，各级电网中的短路电流水平也不断增长，最高可达到额定电流的几十倍[1]，这给电网的安全稳定带来了很大隐患。随着超导电力技术的发展，超导故障限流器（SFCL）成为目前非常有效的短路电流限制装置，它的限流特性具有很大的优越性，有着良好的应用前景[2-5]。

由于限流器应用于配电网后会改变原线路固有的阻抗特性，必然会对电网中继电保护尤其是距离保护产生影响[6-7]。在电力系统故障中，单相接地故障最为常见，占总故障次数的60%以上，而在中性点接地电网中，由于接入许多自耦变压器，单相短路电流水平会大于三相短路电流水平[8]，对电网危害更大。当系统中接入SFCL后，此故障的发生对距离保护影响很大，不仅要重新整定距离保护整定值，还要改进阻抗继电器接线方式，在许多文献中已介绍了接入SFCL后具体的整定方法，本文不再研究。

本文主要以电阻型SFCL为例分析接入SFCL对接地短路阻抗继电器接线方式的影响，并提出一种新的阻抗继电器接线方式，最后对这种接线方式进行仿真验证，结果表明，此种接线方式的结构比较简单，而且与原接线方式相比能更好地反映线路故障情况，确保距离保护正确动作。

1 电阻型SFCL工作原理

电阻型SFCL原理图[9]如图1所示，它是由电阻限流线圈和超导触发线圈并联而成。电阻限流线圈选用常规材料，等效电阻为Rs，是防止超导体被烧毁而添加的旁路电阻；而超导触发线圈则是由高温超导线材绕制而成，具有超导特性，根据工作条件在超导态和正常态之间转换。

当线路处于正常工作状态时，触发线圈工作于超导态，阻值Rsc近似为零，旁路电阻此时被短路，线路电流全部通过触发线圈，整个装置的等效电阻很小；当线路发生短路时，随着短路电流的不断增加，当流过超导线圈的电流I大于其临界电流Ie时，超导体失超，从零电阻的超导态自动转化为高阻值的正常态，这时阻值Rsc=Rn，此时触发线圈上的短路电流被自动转向到限流线圈通路上，形成电阻回路，从而有效限制线路中的电流，并保护触发线圈。

2 SFCL对单相接地短路阻抗继电器接线方式的影响和解决方法

在中性点接地的电网中，当零序电流保护不能满足要求时，一般要采取接地距离保护，由于发生单相接地时，存在零序互感，不能给继电器只加入故障相的相电压和电流，目前工业应用中距离保护接地短路阻抗继电器接线方式[10]即各相继电器上所加的电压UJ和电流IJ通常为：

其中，K=（z0-z1）/（3z1），z1、z0为线路单位长度的正序和零序阻抗；I0为系统的零序电流。

如图2所示，当SFCL安装在继电器之后即位置2处时，会影响原线路的阻抗特性[11]，设A相在k处发生接地短路，SFCL失超状态下等效阻抗为ZSFCL，故障点电压UkA和故障相电流IA分解成各序对称分量（其中下标含1、2、0的分别表示正序、负序、零序分量），则有以下关系：

图2 SFCL安装位置示意图Fig.2 Installation place of SFCL

原线路接入SFCL之后，当短路电流超过SFCL的临界电流时，SFCL瞬间失超，从零电阻的超导态瞬间自动转化为高阻值的正常态，这时阻值Rsc=Rn（失超后的超导体电阻Rn非线性变大，其值是时间的函数），如图 1（b）所示，在此过程中，SFCL 对外呈现高阻态，等效电阻为：

如图3所示[9]，一方面由于电力系统要求SFCL能对第1个短路电流峰值进行限流，电阻型SFCL在故障发生后几微秒内即失超，失超后，失超电阻迅速增大，1 ms内即可达到一较大阻值，而距离保护装置将在大概 2 个周期（约 40 ms）之后动作[12-13]；另外在实际应用中，如图1（b）所示，为了防止超导线圈失超后的阻值过大而导致其两端过电压的发生，同时为了防止超导体过电流而被烧毁，与超导线圈并联的限流线圈的阻值Rs（其值恒定不变）通常较超导体失超后的电阻值Rn小很多，因此SFCL整体对外呈现的阻抗值ZSFCL取决于Rs的大小，所以在分析电阻型SFCL对原线路距离保护影响的过程中，可认为SFCL失超后对外呈现为一近似恒定的阻值ZSFCL。

图3 电阻型SFCL的工作原理示意图Fig.3 Operational principle of resistive SFCL

由于SFCL为电阻型SFCL，故障时可以近似认为其各序阻抗值均为ZSFCL[14]，所以母线C上各对称分量的电压与短路点的对称分量电压之间有以下关系：

其中，l为故障发生点到保护安装处的线路长度。

因此，在阻抗继电器安装处电压为：

其中，K=（z0-z1）/（3z1），如果仍采用未接入 SFCL 前的阻抗继电器接线方式，即如式（1）的接线方式，则阻抗继电器的测量阻抗为：

此测量阻抗的值与I0/IA的比值有关，而这个比值因受到中性点接地数目和分布参数的影响，并不是常数，所以阻抗继电器并不能准确地反映从保护安装处到短路点的阻抗值。

因此，需要考虑针对上述问题的解决办法，对式（5）作如下变化：

所以有：

为了使距离保护装置的测量阻抗值为常量，根据式（7）结果，可以给A相阻抗继电器加入如下的电压和电流：

这样，加入SFCL后继电器的测量阻抗将是：

此时由式（9）可知阻抗继电器的测量阻抗恰好是短路点到保护安装处的线路总正序阻抗值。因此，阻抗继电器的三相接线方式可以变为：

式（10）即为本文提出的新的阻抗继电器接线方式，它能正确地测量从短路点到保护安装处的阻抗，有效地解决了SFCL接入线路后对原阻抗继电器的影响。

3 基于PSCAD/EMTDC的仿真分析

本文采用基于PSCAD/EMTDC软件搭建模型进行仿真，为了方便分析，对线路作以下近似和假设：

a.假设SFCL安装在图2中的位置2处；

b.接入SFCL后，不论在保护线路何处发生线路接地故障，短路电流可降低至正常运行电流的90%以下；

c.线路CDⅠ段保护设置为保护线路全长的80%；

d.设置A相发生单相接地短路，故障发生时刻为0.2 s，故障持续时间0.1 s。

如图4建立一个由2个相互独立的电源向负荷供电的电路，其中各元件参数配置如下。

图4 基于PSCAD/EMTDC的线路仿真线路模型Fig.4 Line model based on PSCAD/EMTDC

电源：线电压230 kV，频率60 Hz，两电源初相分别为 φ1=0°、φ2=30°，两电源内阻均为 R=9.156 Ω、L=138.15 mH。

断路器：B1设置为线路CD的Ⅰ段保护，受阻抗继电器输出信号的控制，当短路故障发生在保护线路内时，B1跳开，切除故障；而当短路故障发生在保护线路之外时，B1不动作，初始状态设置为闭合；B2不作研究，保持为闭合状态；B3受控制信号的控制，线路正常运行时，B3保持闭合，当线路发生短路时，B3打开，将SFCL串入线路，进入限流状态，故障结束后，B3闭合。

架空线：分别设置Line1、Line2长度并设置故障发生的位置，线路全长为100 km，阻抗值为z1=z2=0.03621+j0.50826Ω/km，z0=0.09879+j1.38667Ω/km。

故障类型：A相发生单相接地短路，设置发生时刻为0.2 s，持续时间0.1 s。

系数 K：其值为（z0-z1）/（3z1），一般近似认为零序阻抗角和正序阻抗角相等，用其模值表示，根据计算取K=0.57。

接入SFCL后，线路总阻抗会发生变化，因此要对线路距离保护进行重新整定，采用文献[15-16]的整定方法（即当测量阻抗ZJ在范围中时，保护动作，其中ZIzd1为未接入SFCL时原线路I段保护整定值）对线路距离保护进行重新整定，保证线路理论保护范围不受影响。

接入SFCL后，在新的整定值情况下，由上文的理论叙述可知，有2种阻抗继电器接线方式：一种为原有的阻抗继电器接线方式，即式（1）接线方式；另一种是本文提出的新的阻抗继电器接线方式，即式（10）接线方式。为了对比分析这2种接线方式下阻抗继电器的优劣，并验证新的接线方式的精确性和正确性，下面分别采用这2种接线方式进行仿真分析，设定线路分别在距离SFCL出口端10 km、60 km和90 km（即线路全长10%、60%和90%处，如图2中的k1点、k点和k2点）发生A相单相接地故障，观察距离保护是否正确动作，结果如图5—7所示。

图中，I、I1分别指原接线方式和新的接线方式下线路A相电流波形，c1为整定阻抗圆，c2为原阻抗继电器接线方式下的测量阻抗相量终点轨迹（起点在原点），c3为新的接线方式下测量阻抗相量终点轨迹（起点在原点）。

如图5所示，在距离SFCL出口10 km处发生A相接地短路，故障发生在整定范围之内，SFCL进入限流状态，在原接线方式下由于测量阻抗值不能正确地反映故障点到保护安装处的线路总阻抗值，导致测得的阻抗值偏小，小于保护装置能够动作的最小值，保护不动作，失去作用；而在新的接线方式下，测量阻抗值恰好等于故障点到保护安装处的线路总阻抗值，此值落在距离保护整定值的范围之内，所以在0.218 s时保护动作，切除了故障。从图5（b）中的阻抗特性曲线也可以看出c3轨迹进入阻抗圆c1内部，说明保护动作，切断了故障。

图5 距离SFCL出口10 km发生A相单相接地Fig.5 Waveforms when grounding fault of phase A occurs at 10 km away from SFCL

如图6所示，接地故障发生在距离SFCL出口60 km处，故障仍然发生在整定范围之内，此时由于故障发生在距离SFCL安装处较远的地方，故障点到保护安装处的线路总阻抗值较大，即使在原接线方式下，测量阻抗不准确，值偏小，但测量阻抗值仍足够大，仍能落在距离保护整定值的范围之内，保护可以成功动作，切除了故障；而在新的接线方式下，测量阻抗值恰好等于故障点到保护安装处的线路总阻抗值，此值落在距离保护整定值的范围之内，保护正确动作。从图6（b）中阻抗特性曲线也可以看出测量阻抗c2和c3轨迹在故障时刻都进入整定阻抗圆c1内部，说明保护动作，但2种接线方式下的测量阻抗值还是有较大差异。

图6 距离SFCL出口60 km发生A相单相接地Fig.6 Waveforms when grounding fault of phase A occurs at 60 km away from SFCL

如图7所示，接地故障发生在距离SFCL出口90 km处，因为整定范围为线路全长的80%，此时超过保护线路末端10 km，理论上保护不应该动作。在原阻抗继电器接线方式下，由于测量阻抗值相对于实际阻抗值偏小，导致其值仍落在保护整定动作值范围之内，保护发生误动；而在新的接线方式下，测量阻抗值恰好等于故障点到保护安装处的线路总阻抗值，此值落在距离保护整定值的范围之外，保护不动作。从图7（b）也可以看出测量阻抗曲线c2进入整定圆c1内部，说明保护发生误动，而在新的接线方式下，测量阻抗曲线c3并没有进入整定圆c1内部，说明保护没有动作，与理论分析相一致符合要求。

图7 距离SFCL出口90 km发生A相单相接地Fig.7 Waveforms when grounding fault of phase A occurs at 90 km away from SFCL

通过对线路设置在不同位置处发生单相接地短路，观察距离保护是否动作，可以得到2种接线方式的实际保护范围差异很大，结果如表1所示。

表1 2种接线方式下动作范围对比Tab.1 Comparison of action range of distance protection between two wiring modes

从表1可以看出，原接线方式下短路发生在距离SFCL出口52.8 km之前时，保护拒动失去保护功能，而在距离SFCL出口80 km整定范围之外，即80～99.6 km时保护又误动；新的接线方式下，实际动作保护区域与理论整定近似一致，有很好的准确性，大幅降低了误差。这也验证了新的阻抗继电器接线方式是非常有效和正确的。

4 结语

本文在原继电器接线方式的基础上，分析了接入电阻型SFCL对接线方式的影响，提出了一种新的阻抗继电器接线方式，此方法比较简便，保证了原线路的保护装置能够在系统发生短路故障时准确动作，有效切除故障，具有很好的应用前景；当然，在本文的理论分析和仿真验证中，对一些地方作了简化处理（如近似认为SFCL瞬间失超且失超后阻值恒定；对于超高压和特高压线路，还应对电抗和电阻分别求出补偿系数等），所以有关SFCL与继电保护相配合的研究还有待进一步探讨。