关于直流配电系统继电保护改进方案研究

叶风彩， 姜云龙， 姜德胜， 刘禹辰

(1.中国建筑第二工程局有限公司天津分公司，天津 300000；2.国网天津市电力公司检修公司, 天津 300143;3.国网黑龙江省电力有限公司管理培训中心， 哈尔滨 150030；4. 国网双鸭山供电公司，黑龙江 双鸭山155100)

关于直流配电系统继电保护改进方案研究

叶风彩1， 姜云龙2， 姜德胜3， 刘禹辰4

(1.中国建筑第二工程局有限公司天津分公司，天津 300000；2.国网天津市电力公司检修公司, 天津 300143;3.国网黑龙江省电力有限公司管理培训中心， 哈尔滨 150030；4. 国网双鸭山供电公司，黑龙江 双鸭山155100)

为了保证直流配电系统元件的安全性，建立了电阻型超导限流器及其数学模型，分析了电阻型超导限流器接入对直流配电系统故障特征的影响，以及限流器接入对原有继电保护原理应用的影响，提出了基于电流峰值和暂态时间的新暂态过电流保护方案，并在PSCAD/EMTDC软件中对所提出的保护方案进行了仿真验证。仿真结果表明，含电阻型超导限流器的直流配电系统继电保护改进方案能够快速且准确切除线路故障，保证上下游线路之间的选择性和可靠性，保证线路保护不误动。

直流配电系统；继电保护；电阻型超导限流器；暂态电流

随着电力电子技术的快速发展，家用电器及工业产品的最终用电形式为直流，同时越来越多的分布式电源不断渗透到配电网中。相对于传统交流配电系统，直流配电系统具有供电容量大、可靠性高、损耗低、电能质量高等优点[1-8]，在未来智能配电网中必然占有重要的地位。由于电感对直流系统中稳态直流电流没有限制作用，因此电阻型超导限流器在直流配电系统具有很好的适用性。文献[9]根据加入限流器前后故障电流变化大小，对超导限流器在直流系统中应用的效果进行了评估，对直流系统保护的影响及改进却没有提及；文献[10]依据直流系统加入超导限流器后的电流变化趋势，研究了超导限流器在不同电压等级直流系统中的合理的接入位置，对不同故障情况进行了仿真分析；文献[11]研究了高温超导体对交流配电系统暂态、稳态稳定性、重合闸以及继电保护的影响，对系统保护方案配置有所改进。本文分析了电阻型超导限流器接入对直流配电系统故障特征的影响，以及限流器接入对原有继电保护原理应用的影响，在此基础上提出了改进的暂态过电流保护以及暂态电流启动的时限低电压保护，在仿真软件中进行了仿真验证，保证了上下游线路保护的配合，能够快速且准确的切除线路故障。

1 电阻型超导限流器及其数学模型

电阻型超导限流器由超导电缆和并联电阻组成，其等效电路模型为一个可变电阻RSFCL和缓冲电阻并联，如图1所示。并联电阻的主要作用是降低故障时剧烈变化的电流引起过电压对超导电缆造成的损害。电阻型超导限流器利用超导材料的超导态和常规电阻态的转换来限制故障电流的增加。

图1 电阻型SFCL结构示意图Fig.1 Structure schematic diagram of resistor-type SFCL

当直流系统中故障发生时，电阻型超导限流器能够在微秒级的时间内响应，限流器电阻逐渐增加，达到限制故障电流的目的。而电阻型超导限流器能够快速响应故障电流，缺点是其失超恢复时间相对较长,不能满足电力系统重合闹要求。

选取超导材料Bi2212作为电阻型超导限流器的主要组成部分，那么电阻型超导限流器的转换过程可以分为以下三个阶段。

1.1 超导态

在超导态，流经超导限流器的电流密度低于临界值，超导限流器的电阻值为零。超导电缆中电场表达式为

(1)

式中：Ec=1μV/cm，5≤α≤15；J为流经超导限流器的电流密度；Jc(T) 为临界电流密度值，并且该临界值主要依赖于超导材料的温度大小。那么临界电流密度Jc(T)的表达式为

(2)

式中:Tc为超导材料的临界温度，K;T0为超导材料的起始温度。在本文中，选取参数Tc=95K，T0=77K,Jc(77)=1.5×107A/m2。

1.2 磁通流动状态

当流经超导限流器的电流密度超过其临界值时，超导材料就会进入磁通流动状态，此时超导材料两端的电场就开始增加，因而电阻型超导限流器的电阻开始增加，同时超导材料开始产生热量，材料温度也开始逐渐上升。由式(2)可以看出，材料温度的增加使临界电流密度Jc(T)进一步降低，超导材料电场会持续增加。在磁通流动状态中，超导材料的电场表达式为

(3)

式中：E0=0.1V/m为超导材料从超导态转换到磁通流动状态的临界电场，并且2≤β≤4。

1.3 常规电阻状态

随着超导电缆电阻逐渐增大，材料温度逐渐上升，当材料温度超过超导体临界温度时，超导限流器进入常规电阻状态，此时限流器的电阻值主要依赖通过其的电流密度和材料温度。在这个状态下，超导体的电场主要和电流密度及其温度有关。那么电场的表达式为

(4)

式中：ρ(Tc)是超导体在失超状态下的电阻率，在本文中，该电阻率取为ρ(Tc)=1×10-6Ω·m。

在每个阶段中，超导体的电阻的计算式为

(5)

式中：isc为通过超导电缆的电流；lsc为超导电缆的长度。

在电阻型超导限流器的失超过程中，热量的传递及其表达式起到至关重要的作用，本文中热量传递表达式为

(6)

式中：θsc=1/[κ(lsc·2πr+2S)]，κ=1.5×103W/(K·m2)；r为超导电缆的半径，并且C=1.58TJ/(kg·K)。在本文，超导电缆的长度选择为lsc=200 m。超导体的体密度为ρv=6 g/cm3。当所需的临界电流选定后，超导电缆的横截面积就可以通过S=Ic/Jc计算得到。

在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中构建了电阻型超导限流器的数学模型。为了限制电容快速放电电流，超导限流器的电阻值需要在电流达到峰值前增加到足够大值。假设超导电缆的长度为200 m。在直流配电系统中，当0.5 s时发生极间短路故障时，电阻型超导限流器的阻值随时间变化曲线如图2所示。

从图2可以看出，故障瞬间超导限流器能够快速响应。随着故障时间的持续，限流器的电阻值逐渐增大，电阻型超导限流器能够限制直流系统中故障暂态和稳态的直流电流，极大地降低了系统及其元件的损害。

图2 电阻型超导限流器的阻值变化曲线Fig.2 Resistance variation curve of resistive superconducting current limiter

2 电阻型超导限流器对直流配电 系统故障特征的影响

当在直流配电系统中发生直流极间短路故障时，特别是故障位置距VSC出口较近时，VSC内部的IGBT会因自身过流保护而闭锁。由于整流器是升压元件，即直流侧电压大于交流侧电压，因此,此时内部所有二极管会因为承受反向压降而截止。

图3 电阻型超导限流器未接入时的直流配电系统故障特征Fig.3 Fault characteristics of DC distribution system with no access to resistive superconducting current limiter

在这种情况下，交流系统和直流系统会出现短暂的分离，并且交流电流会下降为0。若直流配电系统中未接入超导限流器，则故障位置距离VSC出口较近时，其故障过程可以分为四个阶段。其中，当系统中发生金属性极间短路故障时，电阻型超导限流器接入前后故障电压、电流变化趋势分别如图3、4所示。

图4 电阻型超导限流器接入后直流配电系统故障特征Fig.4 Fault characteristics of DC distribution system with access to resistive superconducting current limiter

第一阶段：即故障的初始阶段。当电阻型超导限流器接入且所有IGBT闭锁时，直流侧就由电容、直流电缆和限流器组成故障放电回路。在这个阶段，直流电压开始下降，并且直流电流在达到最大值后开始下降。等效电路如图5所示。

图5 故障初始阶段直流配电系统等效电路图Fig.5 Equivalent circuit of DC distribution system at initial stage of fault

由图5可知，直流侧电压、电流计算公式为

(7)

式中：idc为等效回路直流侧电流；udc为电容两端的直流电压；C为支撑电容的电容值；R和L是从VSC出口到故障点处的直流电缆的等效参数；RSFCL为超导限流器的电阻值，而且是非线性变化的。使用微分方程的数值解法可知，直流电压的下降率和直流电流都有很大减少。第一阶段的电压、电流波形如图4所示。

第二阶段：随着直流电压的下降，当直流电压下降到小于交流电压峰值时，VSC中的二极管开始导通。同时，交流电流从零开始增长，故障逐渐向稳态过渡。在这一阶段，电容放电还是起主要作用，是故障电流的主要组成部分。系统的等效电路和系统在稳态的等效电路相同，如图6所示。第二阶段的电压、电流波形如图4所示。

图6 不控整流桥电路Fig.6 Uncontrolled rectifier circuit

第三、四阶段：该阶段的出现直接和故障回路的阻尼特性有关。当故障回路呈现过阻尼特性时，第三、四阶段将不再出现。而电阻型超导限流器的接入不仅能够限制电容放电的速率及其峰值，还可以改善电路的阻尼特性，使交流系统不再出现等效三相短路。从这个角度来讲，电阻型超导限流器能够同时限制整流器交流侧和直流侧两端的电流，使系统运行更加安全。同时，可以相应降低系统中使用的直流断路器的遮断容量，切除故障。

稳态阶段：在直流极间短路故障的稳态阶段，VSC变为一个不控整流桥，结构如图6所示。此时，输出的直流电压大小直接受二极管导通角影响，直流电压在(2.34～2.45)U变化，其中U是交流相电压的有效值。

电阻型超导限流器的阻值远大于直流电缆的阻抗，以下分析可以忽略直流电缆的影响。二极管的导通角仅受到交流侧等效电感和ωRC的影响，二极管的导通角和ωRC的关系如图7所示。

图7 二极管导通角与RC关系曲线Fig.7 Relationship curve between diode conduction angle and RC

综上所述，结合图3、4，当系统接入电阻型超导限流器后，直流电流峰值从14kA 降低至2.20kA，减少了约84.3%。由于电阻型超导限流器能够在微秒级响应电流的变化，因此直流电流峰值可以很快被限制。在故障稳态，电阻型限流器的接入，稳态交流电流和直流电流均被限制在一个较低的水平，此时直流电流被限制接近0.3kA，甚至小于系统正常工作时的电流值。此外，电阻型超导限流器的接入也限制了直流电压的降低，直流电压的下降率也大大减小；直流电压的稳态值也从原来的不到1kV提高到4.4kV，大约提高了77%；直流电压在故障过程中一直保持在较高的数值，使原有故障的第三阶段消失，即电阻型超导限流器克服了交流侧出现等效三相短路的情况。在这种情况下，对于不同位置的故障，直流电压的稳态值变化很小，接近同一值。

3 含电阻型超导限流器的直流配电 系统继电保护方案的改进

3.1 改进暂态过电流保护原理

通过仿真得到故障位置和线路直流电流峰值的关系曲线，如图8所示。从图8中可以看出，当电阻型超导限流器接入系统后，故障电流峰值与极间短路故障位置存在近似线性的关系。这是由于在故障时电阻型限流器不会改变电流的上升速率，只会改变峰值，而限流器的阻值相对线路阻抗较大，起到决定性作用，线路阻抗变化认为是线性的，因此故障电流峰值会呈现线性变化的特征。随着故障距离的增加，直流电流峰值却下降较少，从接近VSC出口故障到30km处故障，电流峰值只从2.4 kA下降至1.9 kA，电流峰值的区分度太小，难以应用于过电流保护中。当电阻型超导限流器接入后，故障稳态电压随故障位置的改变而变化较小，低电压保护也无法直接应用于直流配电系统，需要改进。

图8 故障位置和故障电流峰值关系曲线Fig.8 Relationship curve between fault location and peak current

图9 故障电流到达峰值所用时间和故障位置关系曲线Fig.9 Relationship curve between time intervals and fault location when in peak value of fault current

通过大量仿真可以看出，直流故障电流到达峰值所用的时间随着故障位置的不同会发生较大的变化，故障电流到达峰值所用时间和故障位置关系曲线如图9所示。这是由于电阻型限流器对故障电流的削峰作用，限制了电流的上升，电流的变化率只与线路电感有关，线路电感是线性变化的，因此，电流到达峰值的时间也会线性变化。若将电流峰值和到达峰值所用时间的比值应用于保护，则灵敏性和可靠性就可以得到满足，故障电流到达峰值所用时间和故障位置关系曲线如图10所示。

图10 故障电流到达峰值所用时间和故障位置关系曲线Fig.10 Relationship curve between time intervals and fault location when in peak value of fault current

3.2 暂态过电流保护

在电阻型超导限流器接入的条件下，暂态过电流保护的整定原则就是电流峰值与到达峰值所用时间的比值大于线路末端发生极间短路故障时的故障电流峰值与其时间之比。动作判据式为

(8)

保护门槛值为

(9)

3.3 暂态电流启动的限时低电压保护

限时过电流保护通过时延和下游线路保护进行配合。在直流配电系统中，该时间延迟可以为0.1 s或者更长，主要是考虑到与下游线路保护的配合以及直流断路器的动作时间。当电阻型超导限流器接入后，故障后0.1 s时，故障电流已经到达稳态，此时故障电流值非常接近正常工作电流。传统的限时过电流保护不能直接应用于含有电阻型超导限流器的直流配电系统。

当直流配电系统故障后0.1s时，直流电压已经降低到一个相对很低的水平。当电阻型超导限流器接入后，故障稳态电压随故障位置的改变而变化较小，低电压保护单独无法保证选择性。如果把暂态过电流保护和低电压保护相结合，即称为暂态电流启动的限时低电压保护，就可以保证保护的四性。这类保护依旧保护线路全长，保护范围不能超过下游线路的暂态电流保护范围。该保护通过时间延迟和下游线路保护进行配合。其启动值为暂态电流保护的门槛值，该启动值可以保证保护的选择性，在经过一定的时间延迟后，直流断路器是否动作是由低电压保护决定的。保护动作判据条件为

(10)

门槛值为

(11)

(12)

(13)

4 继电保护改进方案仿真验证

在PSCAD/EMTDC软件中搭建含有电阻型超导限流器的直流配电系统，如图11所示。当仿真设置在0.5 s时，直流线路不同位置发生金属性极间短路故障，每段线路长度为10 km。每条线路均接有一定负载。在正常工作状态下，各条线路通过的电流大小为Iline1=0.35 kA，Iline2=0.252 kA，Iline3=0.157 kA。

由于线路3是该直流配电系统的末端线路，因此传统的过电流保护就可以满足系统对线路3的需求，即线路3的保护整定值为正常最大工作电流的3～10倍，瞬时过电流保护应当是保护线路3的全长。在这种情况下，时限过电流保护就作为线路3的后备保护。以上提出的保护方案在如图11所示的系统中进行了仿真验证，验证了本文提出的含电阻型超导限流器的直流配电系统继电保护改进方案能够快速且准确切除线路故障的有效性。暂态电流保护可以保护线路长度的80%，可以无延时动作。

随着故障位置的远离，故障电流的上升速度也相应降低，暂态电流保护的动作在远距离线路的动作时间会相应变长，可以满足系统对保护速动性的要求。此外，暂态电流启动的时限低电压保护可以通过时间延迟保护线路全长。该保护能够在故障后的0.2 s左右动作切除故障。该保护虽然动作相对缓慢，能够保证上下游线路之间的选择性和可靠性，保证线路保护不误动。因此，对于电阻型超导限流器接入的直流配电系统，该保护方案能够在短时间内切除系统馈线故障，保证上下游线路保护的配合；该保护存在一定的不足，即过电流保护对过渡电阻较为敏感，该分析方法是在系统发生金属性极间短路的情况下进行的，如果故障过渡电阻发生变化，就会直接影响保护动作时间及其可靠性。此外，对于含有分布式电源接入的直流配电系统而言，该暂态电流保护不带有方向性，不能满足多端电源系统，无法应用，需要就过渡电阻不同的情况进行更深入的研究。

图11 电阻型超导限流器接入的直流配电系统结构图Fig.11 Structure diagram of DC distribution system with access to resistive superconducting current limiter

5 结 语

电阻型超导限流器在直流配电系统中具有很好的限流效果，极其适合具有高上升速率和数值较大的系统。然而电阻型超导限流器的接入对系统原有继电保护的配合产生了较大的影响。本文在详细分析了电阻型超导限流器对直流配电系统故障特性和保护的影响基础上，提出了暂态电流保护和暂态电流启动的时限低电压保护方法，并在PSCAD/EMTDC软件中对所提出的保护原理进行了仿真验证。仿真结果表明该含电阻型超导限流器的直流配电系统继电保护改进方案能够很好的保证上下游线路保护的配合。但是，过渡电阻变化的故障情况还需要进一步深入研究。

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(编辑 侯世春)

Research on improvement scheme of relay protection in DC distribution system

YE Fengcai1, JIANG Yunlong2, JIANG Desheng3, LIU Yuchen4

(1. China Construction Second Engineering Bureau Co., Ltd., Tianjin Branch, Tianjin 300000, China; 2. State Grid Tianjin Electric Power Overhaul & Operation, Tianjin 300143, China; 3. Management Training Center of state Grid Heilongjiang Electric Power Co.,Ltd., Harbin 150030, China; 4. State Grid Shuangyashan Electric Power Supply Company, Shuangyashan 155100, China)

In order to ensure the safety of DC distribution system components, a resistive superconducting current limiter and its mathematical model are established. The influence of the access to the resistive superconducting current limiter on the fault characteristics of the DC distribution system is analyzed. The new transient overcurrent protection scheme based on current peak and transient time is proposed, and the proposed protection scheme is simulated in PSCAD/EMTDC software. The The simulation results show that the relay protection improvement scheme of the DC distribution system with resistive superconducting current limiter can quickly and accurately remove the line fault and ensure the selectivity and reliability between the upstream and downstream routes and no-malfunction of the line protection.

DC distribution system; relay protection; resistive superconducting current limiter; transient current

2017-01-04;

2017-05-15。

叶风彩(1989—)，女，助理工程师，研究方向为BIM技术在建筑行业的应用。

TM772

A

2095-6843(2017)03-0229-06