超导故障限流器对高压电网稳定性影响

马宏明,宋萌,胡南南,黑颖顿

(云南电网公司电力科学研究院,昆明 650217)

超导故障限流器对高压电网稳定性影响

马宏明,宋萌,胡南南,黑颖顿

(云南电网公司电力科学研究院,昆明 650217)

超导故障限流器作为非线性元件的短路电流限制器,具有体积小、重量轻、损耗小、自动响应等特点。饱和铁芯型超导故障限流器由于结构简单、动作特性良好、故障后恢复能力强等技术优势,是一种可以工程应用于高压电网中的限流器。通过分析研究表明,该饱和铁芯型超导故障限流器不仅可以在故障时有效地限制短路电流,而且还能对电网稳定性产生积极的影响。

饱和铁芯型超导故障限流器；短路电流；高压电网；稳定性

0 前言

随着电力系统和现代化工业的发展,大电网互联和跨国互联的趋势,大容量远距离输电的需求,发电机单机容量不断增大,低阻抗大容量变压器在现代低压配电系统中的应用不断增长以及配电网络的不断发展,使电力系统中的短路容量有日益增加的趋势[1]。

由于短路容量的增加,现有的断路器开断容量受到了巨大挑战,目前世界顶级的断路器开断短路电流的能力在63 kA左右,而最新情况表明,到2020年金沙江电站送电后的500 kV主网的短路电流超过50 kA,三峡电厂的短路电流将超过55 kA,上海一些变电所的短路电流将超过63 kA[2-3]。这样,现有的断路器将难以满足开断系统短路电流的要求,而且随着全国联网不断加强以及电网容量不断扩大,这种矛盾会越来越突出。短路电流过大已经成为制约现代电力系统发展的技术瓶颈之一。

为保证系统安全、可靠和稳定运行,需采取有效的限制短路电流措施,来保证断路器有效的切断故障电流。当前限制电力系统短路电流措施主要有[4-6]：

1)提升电网的电压等级,将电网分层、分区运行。该措施可有效抑制系统短路容量,但建造高电压的网络工程复杂、造价昂贵、也降低了供电可靠性和运行灵活性,还会有电磁污染等问题；

2)多母线分列运行和母线分段运行。该措施可大大减小短路容量,明显限制短路电流的水平,但降低了供电可靠性、增加了线损,在220 kV以及更高压网络一般不采用此方式；

3)使用大容量断路器。该方案存在一定的局限性,一方面超大容量断路器在工程技术实现比较困难；另一方面,电力系统短路电流及断路器设备遮断容量太大会增加并联设备的技术要求,是不经济的；

4)采用限流电抗器。一般在超高压、长距离输电线路中,串联电抗器使用得较多,其使用增大了线路等效阻抗,增加输电线路距离,实现限制短路电流水平,该措施还可补偿线路电容电流,有效改善线路末端的电压水平。但是该措施会增加网损、降低系统运行的稳定性。

以上各种措施在一定程度上限制了短路电流水平,但均存在各自缺陷和不足,或对电网产生了不利影响,或技术实现困难。因此提出故障限流器的概念,其不改变系统的运行方式、网络结构及正常运行状态参数,又可满足系统短路容量不断增大的要求,能有效切断大容量的故障电流。

超导故障限流器 (Superconductive Fault Current Limiter简称SFCL)作为一种非线性元件的短路电流限制器,其具有稳态低阻、限流高阻、损耗小、自动响应等特点[7],是目前可应用于大容量、高电压骨干电网中的功能特性较为理想的故障限制流的装置。

1 超导故障限流器的分类及特点

超导故障限流器可根据不同划分标准有不同的分类方式[8-9]：

1)根据超导材料划分,分为低温和高温超导故障限流器；

2)根据工作原理划分,分为失超型和非失超型超导故障限流器；

通常,失超型故障限流器是利用超导体超导体——正常态的转变特性来限制故障电流。非失超型故障限流器不利用超导体的失超特性来达到限流的目的,则是利用超导材料在直流状态下的无阻载流特性。

3)按照限流方式划分,分为电阻型、电感型和电阻—电感型SFCL；

4)根据结构特点划分,分为电阻型、变压器型、桥路型、饱和铁芯型、三相电抗器型、磁屏蔽型和混合型SFCL等。

图1 超导故障限流器的分类

超导故障限流器形式多样,其应用的超导特性也不尽相同,但其基本原理都是在系统因故障等原因出现过电流时,通过限流器动作,在线路中接入较大的阻抗限制短路电流。常用的超导故障限流器原理图及其各自的工作特点如图2、表1所示[10-11]。

图2 各类超导故障限流器原理结构图

名称　　原理　　优点　　缺点桥路型正常时,桥路上有小的正压降外,装置对线路电流不表现任何阻抗。当故障时,线路电流的幅值大于Io时,正半周期内二极管D3、D4均不导通,而在负半周期内D1、D2均不导通,高温超导线圈L就被自动地接入线路,短路故障电流就被L限制能在0.2～0.5 s内从故障中恢复而不需要辅助系统,其更适用于自动重合闸；总重量轻、费用较低高温超导线圈会通过大于线路电流幅值的直流,所以电流引线的低温损耗较大；需要添加电力二极管桥路和偏压电源系统,装置结构比较复杂饱和铁芯型一个铁芯内的直流磁场与交流磁场同向,另一个则反向。正常运行时施加直流源,使两个铁芯达到深度饱和,则装置呈现低阻抗；当输电线路发生短路故障时,短路电流可使两铁芯在一周期内交替去饱和,装置呈现大阻抗,限制故障电流在故障限制期内超导线圈一般不失超,具备多次自启动能力,能满足自动重合闸运行条件在故障时刻起限流作用的仅为两铁芯中的一个,易导致限流效果较弱,在应用中需更多的铁芯及交流绕组才能达到所需限流效果；直流高温超导绕组还可能要承受高感应电压的冲击,需加强直流源保护磁屏蔽型　　利用超导体在超导态和正常态下磁特性(超导体的完全抗磁特性)变化超导材料用量较少,交流损耗低,低温热负荷小恢复时间长,需要两套装置才能用于快速重合闸；限流期间有暂态过电压三相电抗型正常运行时,三相超导绕组电流平衡,其和为零,铁芯无磁通变化,装置呈低阻抗。当发生单相对地故障时,三相电流失衡,电抗变得非常大,故障电流被很大的零相序电抗所限制。当发生两相或三相短路故障时,装置电抗不增大,但当故障电流达到超导绕组的临界电流时,超导绕组失超,故障电流被大的常态电阻所限制。单相对地故障时超导绕组一般不会失超,对于不对称故障有较强的限流能力对于对称性故障限流能力较弱混合型线路故障时,二次绕组电流增大,超导绕组达到临界电流失超,二次侧自动接入高阻抗,限制故障电流。简单易制作,质量轻、损耗低故障期间有较高的过电压,故障后磁路饱和会引起电流电压畸变

综上所述,超导故障限流器一般需结合电力电子和现代控制技术,达到限流的目的,本文中提及的超导故障限流器,一般是指利用高温超导带材制作的高温超导故障限流器 (HTSSFCL)[12]。其中失超型超导故障限流器基于S/N转换原理,其利用超导体的失超特性实现限制短路电流的目的,它们的优势是原理和结构比较简单,但是超导带材失超后再次转换为超导状态需要快速制冷,但目前的制冷系统的响应时间较长,达秒级单位,所以一般不适于高压电网。不失超型超导故障限流器则充分利用高温超导体的高密度无阻载流能力,具备优良的动作特性,该类限流器的优势是灵活可控性好,其与电力技术有机结合并有向多功能化发展的趋势,将成为今后超导故障限流器研究的重点方向。特别是饱和铁芯型超导故障限流器可以满足自动重合闸等运行要求,且结构相对简单,易于工程实现。

2 饱和铁芯型超导故障限流器

2.1 饱和铁芯型超导故障限流器工作原理

图3给出了双铁芯饱和超导限流器原理结构图。饱和铁芯型超导限流器利用铁芯的饱和特性来达到限流的效果,它由两个并列的铁芯和直流励磁系统组成。两个交流线圈以一定形式串联绕在两个铁芯上,串联后的交流绕组串接接入输电系统中；直流磁化超导绕组绕在两个铁芯中柱上。由电磁理论可知,串联的交流绕组产生的磁场在中柱,即直流绕组缠绕的铁芯柱处相互抵消；直流超导绕组则会产生一个很强的直流磁场,使铁芯处于深度饱和状态[13-14]。

图3 铁芯饱和超导限流器原理结构图

饱和铁芯型超导限流器在稳态正常工作时,直流励磁绕组起主要作用,使铁芯处于深度饱和状态,通过交流线圈的额定交流电流所产生的交流磁场不足以使铁芯脱离饱和区,使得铁芯内的磁通量几乎不变,铁芯磁导率较低。根据电磁感应定律,磁通量的不变意味交流绕组的感应电动势为零,即限流器两端电压为零,或者可以表示为交流线圈的电感值较小,此时限流器对系统几乎无影响。当故障发生时,在瞬间增大的短路电流冲击下,交流绕组产生的磁通势增加至超过超导绕组的磁通势,使其中一个铁芯退磁,铁芯脱离饱和区,另一个铁芯饱和磁场加强。由于限流器的电感瞬间增大,使交流绕组两端具有较大的电压降,从而限制系统的电流。

2.2 饱和铁芯型超导故障限流器工作模式

饱和铁芯型超导故障限流器的工作模式如图4所示,当交流系统中的电流大于限流器启动电流值后,限流器进入限流模式,交流绕组感抗增加,两端电压变大；随着交流侧电流的继续增大,使得铁芯进一步脱离饱和状态,限流的作用越加明显,增大故障电流的缩减率；但如果限流器所限的短路电流继续变大,铁芯将进入反向饱和区域,等效阻抗随之减小,此时故障电流的缩减率会降低。因而,在饱和铁芯型超导故障限流器的设计时应充分考虑系统最大短路电流,以达到理想的限流效果。

图4 饱和铁芯型超导故障限流器的工作模式

3 对高压电网稳定性分析

3.1 饱和铁芯型超导故障限流器建模

理想的超导限流器的电流-阻抗特性曲线如图5所示,正常运行时,超导限流器的阻抗为0,对电网不产生任何影响,但故障时,超导限流器的阻抗迅速跃变为X,达到限流的目的,故障切除后,又迅速变为0。对其建模简单,设定故障电流的阈值,当故障时,电流值达到阈值,即改变超导限流器的阻抗值为X。

图5 理想超导限流器的电流-阻抗特性曲线

根据实际要求和工程可行性,广东电网公司和云电英纳提出的500 kV饱和铁芯型超导限流器的电流-电阻特性曲线,然后对该特性曲线进行线性拟合,得到拟合后的特性如图6所示。由于目前的工艺无法满足直流励磁部分的绝缘,导致直流励磁部分会在短路故障发生时被切除。故障时超导限流器的阻抗特性类似于不带直流励磁情况。

图6 分段线性拟合的实际超导限流器的电流-阻抗特性曲线

曲线A为超导限流器带直流时的阻抗特性曲线,曲线B为超导限流器切断直流后的阻抗特性曲线。曲线C为空心电抗器的阻抗特性曲线。系统初始运行时,超导限流器有直流励磁,发生故障时,为了保护直流电源,切除直流,此时阻抗特性曲线跃变为不带直流的阻抗特性曲线B。显然,超导限流器的阻抗值比空心电抗器的阻抗值大。

本文采用电力系统仿真软件PSS/E(Power System Simulator for Engineering)进行系统仿真。由于 PSS/E具有自定义模型功能,可以通过Python语言直接调用PSS/E内部提供的API函数,再根据饱和铁芯型超导限流器的数学模型和电流-阻抗特性曲线,建立了理想超导故障限流器和实际超导故障限流器的仿真模型。

图7 自定义模型

3.2 超导故障限流器对电网稳定性的影响

从整体上来看,电力系统稳定性问题分为功角稳定问题、电压稳定问题和频率稳定问题三个部分。由于超导故障限流器主要计划在发电厂密集区域或重负荷区域安装,该区域相对更关注功角稳定和电压稳定,因此本文主要从功角稳定性和电压稳定性两方面着手进行电网稳定性分析。

通过调研发现,2013年云南电网500 kV电网短路电流最大的变电站为罗平变,其三相短路电流为46 kA,单相短路电流为37 kA,随着未来电网的建设以及电源的投产,短路电流还将有进一步的增加,因此有安装超导故障限流器的必要性。通过对具体安装点的理论计算和分析,罗平-曲靖支路上安装限流器对短路电流的限制效果最好。

为了将自定义的模型嵌入原始潮流数据∗.sav中,以及读取流过超导限流器的电流,需要改变原始的潮流数据,在母线 861044与母线861019的支线1上添加母线10,在母线861044与母线10之间添加SFCL1。在母线861044与母线861019的支线 2上添加母线 11,在母线861044与母线11之间添加SFCL2,超导故障限流器安装示意图如图8所示。设置SFCL1和SFCL2的初始阻抗值为稳态阻抗值。

假设仿真时间1 s时,设置861019-10支线故障,在母线861019侧发生三相接地故障 (区内故障),故障时间为0.1 s,1.1 s时切除故障线路。监测附近电厂等出口处母线的功角,并且监测曲靖、罗平的母线电压和角度,以及电流值。

图8 超导故障限流器安装示意图

图9 流过超导故障限流器的电流值

由图9所示,故障期间,短路电流持续减小,限流效果明显。但是对于图 (b)由于故障线路切除后,超导故障限流器恢复需要极短时间,相比未加超导故障限流器时,该条线路上的SFCL2呈现大阻抗值,使得流过的电流值减小,影响功率的传输,因此,故障后超导限流器可能会对线路的功率输送带来一定的影响。

图10 母线电压

对于图10中的 (a)来说,未加超导限流器时,曲靖的母线电压,在故障时下降幅度最大,加装理想超导限流器、实际超导限流器,电压下降幅度都有所减小,但是加超导限流器较未加超导限流器来说故障电压较高,且在1.1s切除故障线路后电压恢复相对较快。对于图10中的 (b)来说,未加超导限流器和加超导限流器时,故障后,罗平母线电压降为0,切除故障线路后,罗平母线电压迅速回升,很快趋于稳定。但是加超导限流器比未加超导限流器母线电压上升较快。因此,饱和铁芯型超导故障限流器不仅不对电压稳定产生影响,而且有利于系统的电压稳定。

图11 电厂出口处母线的功角特性曲线

图11表示系统加装SFCL前后,故障下近端电厂发电机的功角特性曲线。加装超导限流器后,功角衰减幅度比未加超导限流器大。因此,饱和铁芯型超导故障限流器对近端的发电机功角产生积极影响,有利于系统的功角稳定。

综上所述,饱和铁芯型超导故障限流器在正常运行状态下呈现较低的阻抗,对系统几乎无影响,保证用户电压的稳定性和用电质量；当发生短路故障时,可以立即产生高阻抗,限制电网的故障短路电流水平,并且给电网的稳定性带来积极的影响。

4 结束语

饱和铁芯型超导故障限流器作为一种可以应用于高压电网中以限值短路电流的新型限流器,其运行特性的优良会直接影响电网的安全稳定性。通过本文的研究发现：

1)饱和铁芯型超导故障限流器在正常运行状态下呈现较低的阻抗,可以减低故障限流设备的运行损耗,保证用户电压的稳定性和用电质量；发生短路故障时,可以立即产生高阻抗,限制电网的故障短路电流水平；

2)饱和铁芯型超导故障限流器安装于高压电网中,在一定程度上会给电力系统电压稳定和功角稳定带来积极的影响；

3)饱和铁芯型超导故障限流器可以根据实际电网的参数需要进行设计,将故障电流限制在电网允许的短路电流范围内,以保证系统安全、可靠和稳定运行。

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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

马宏明 (1987),男,助理工程师,云南电网公司电力科学研究院,从事设备状态检修、高温超导电力技术等方面的研究工作 (e-mail)ncepuming＠126.com。