电力系统故障限流超导电缆的阻抗选择

贡梓童　李云红　王延年　惠史科

摘要：与传统交流电缆相比，高温超导电缆由于具有较低的阻抗，在故障条件下会产生更大的故障电流，为了减小故障电流，就需要增大电缆阻抗值，故提出了一种超导电缆在故障条件下的系统阻抗选择方法。根据超导电缆在电力系统中的运行情况，得到它在故障条件下的阻抗变化。针对超导电缆特性，分析了超导电缆对电力系统保护的影响。最后通过数值模拟仿真证明了提出的超导电缆在故障条件下的系统阻抗选择方法的有效性，选择高温超导电缆的最优阻抗值为0.1Ω。

关键词：故障电流；失超；电力系统保护；高温超导电缆；故障限流超导电缆

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）18-0226-04

1概述

随着我国电力系统规模的不断壮大，各区域电网之间的联络日益密切，电网对变电、输电、配电的要求越来越高，对电力系统的可靠性、电能质量和环保节能等环节都提出了更高的要求。高温超导电缆与相同尺寸常规电缆相比，输电容量可以提高3～5倍，输电损耗可以降低为常规电缆的10倍以上，具有传输容量大、损耗低、体积小、重量轻、没有环境污染、占地面积小等优点，使用超导电缆构建输电主干网络，可以大大提高电网的输电能力，同时减少电能的损失。但是由于高温超导电缆的非线性特性也将带来一系列问题。当含有高温超导电缆的电力系统发生短路故障时，短路冲击电流会使高温超导电缆发生失超，失超后的超导电缆电阻会发生非线性变化，改变线路的电气参数，这种情况会影响现有的继电保护设备，最严重的会造成保护设备误动，危害电力系统的稳定运行。

故障限流高温超导电缆配置有故障电流限制器。在额定工作状态下，故障电流限制器中的超导偏置线圈会产生一个直流磁化场，使铁芯处于深度饱和状态，系统正常运行时限制线圈近似等效于空心电感，表现出很小的阻抗；当系统出现故障（发生短路）时，短路电流使铁芯退出磁饱和状态，这时的常规限制线圈等价于一个带铁芯的电抗器，阻抗很高，从而可以限制短路电流。由于故障电流限制器会改变故障电流大小，进而对系统保护中的过电流继电器产生负面影响——过电流继电器具有反时限特性，可能造成备用继电器比主继电器先动作的情况。因此，需要为故障限流高温超导电缆选择合适的阻抗，使其即能有效限制故障电流，又不会影响a.分析高温超导电缆对系统保护的影响。b.最佳阻抗的选择。在a阶段，分析故障电流对继电器动作时间的影响。在b阶段，通过数据分析结果来确定故障限流高温超导电缆的最佳阻抗。

2高温超导电缆的系统保护

高温超导电缆具有大容量输电能力，在发生故障时电缆阻抗较低。而较低的阻抗会导致过大的故障电流，这会引发电力系统继电保护问题。

2.1电力系统中的高温超导电缆

常规的高温超导电缆由高温超导带材和稳定器组成。高温超导带材是电能的载体，它是高温超导电缆能够大容量传输电能的关键。当电力系统发生故障时，高温超导电缆会因为冲击电流作用而发生失超，阻抗发生非线性变化，温度上升到临界值，就会导致高温超导电缆的输电性能下降。为了避免高温超导电缆输电性能下降，可在电缆中加入低阻抗的稳定器作为故障电流流通的路径，通过分流减少高温超导电缆的发热，保护超导电缆不被烧坏，同时将十分有利于高溫超导电缆从失超态恢复到超导态。但稳定器的阻抗太低，仍无法限制高温超导电缆中的故障电流值。

为了限制高温超导电缆中的故障电流大小，就需要使电缆具有故障限流能力。如今，可通过以下两种方法使高温超导电缆具有故障电流限制能力：（1）通过改进常规的高温超导电缆，使电缆在故障条件下具有较高的阻抗。（2）设计出用于故障电流流通的附加路径（一般为铜绞线），附加路径与超导电缆并联，发生故障时起到分流的作用。通过方法（1）获得的故障限流高温超导电缆，阻抗的增加会受到电缆容许温度的限制，增幅有限。但由方法（2）得到的故障限流高温超导电缆，阻抗增加不会受到温度的限制，在故障发生时，稳定性更高。但需要增添其他设备，比如快速开关、普通的电缆等，其结构如图1所示：

综上所述，建立通过方法（2）设计出的高温超导电缆模型来分析电缆对系统保护的影响。endprint