配电系统中超导限流器与继电保护的配合研究

米警伟， 苏小林， 阎晓霞， 谭逸雪(山西大学，山西 太原　030013)

0　引　言

随着用电需求的增大和电网规模的发展，电网短路电流水平呈日益增大趋势，国内有些电网短路电流已接近甚至超过现有断路器的遮断容量，危及电网安全[1]335。传统限流措施由于技术和经济因素的限制，不能很好地解决该类问题，必须应用先进的限流技术。超导限流器集自检测、触发、限流于一体，对电网稳态运行影响小，电网短路时能快速动作限流，且恢复时间短等，已成为当前应用于电力系统最理想的限流装置之一[1]336。

目前，超导限流器有电阻型、饱和铁心型、磁屏蔽型、变压器型、桥路型和混合型等多种类型，各类超导限流器都有其各自的优势和不足，适合不同的应用需求。其中，混合型超导限流器具有结构简单、体积小、质量轻，且失超后恢复时间短等优点，是一种有广泛应用前景的理想限流器。

将超导限流器配置于配电系统中，对原有继电保护装置的整定、动作与运行会产生一定程度的影响[2]1，需要研究超导限流器与继电保护的协调配合问题。

目前，国内外已有相关文献开展了该问题的研究。国内研究主要集中在高中压电网中超导限流器对距离保护的影响，并且主要是基于饱和铁心型超导限流器的应用研究[3]98。国外研究较多的是小容量的超导限流器在含有分布式电源的低压配电网中对继电保护的影响[4]。然而，根据国内实际电网运行情况，在配电系统中，35 kV的配电系统，存在有短路电流超标问题[5]。例如，2009年广西省贺州地区短路电流超标使得电流互感器爆炸[6]，超过断路器额定遮断容量，并对变压器的正常运行有严重威胁。

根据实际应用需求和成本分析，使用混合型超导限流器具有更大的优势[7]。为此，本文以混合型超导限流器在配电系统中的应用对继电保护的影响为研究内容。

1　混合型超导限流器

1.1　混合型超导限流器的组成

混合型超导限流器由快速开关、限制电流部分、控制电路部分和超导元件组成，如图1所示。混合型超导限流器中的快速开关由两个真空开关(开关1和开关2 )和电磁驱动杆(包含电磁阻尼盘和金属杆)组成。电磁驱动杆两端分别联动真空开关，在故障和正常状态下快速切换真空开关1 和真空开关2。限流部分主要由真空开关(开关3)和限流元件组成，限流元件是具有一定阻值的电阻，在故障情况下限制短路电流。控制电路部分由电流互感器、控制电路、电压互感器组成，通过电流互感器和电压互感器接受电流和电压信号，控制开关3 的通断。

超导元件是由超导材料(YBCO)组成的，放置在液氮环境中。

图1　混合型超导限流器的拓扑结构图

1.2　混合型超导限流器的动作特性

电网正常运行时，超导限流器中的电磁驱动杆使开关1处于断开状态，开关2处于闭合状态，控制电路控制开关3使其处于闭合状态。此时，电网电流流经开关2和超导元件。由于，超导元件处于超导态，其阻抗值几乎为零。因此，电网正常运行时，混合型超导限流器对电网没有影响。

当电网出现短路故障时，混合型超导限流器将依次按下面步骤动作。

(1)故障电流If流过开关2和超导元件，由于短路故障电流If大于超导元件的临界电流Ic，超导元件失超呈现高阻态限制短路电流，同时电磁驱动杆线圈电流增大，在电磁驱动杆作用下，联动开关1和开关2，使开关1闭合、开关2断开。

(2)在电磁驱动杆驱动向开关2断开、开关1闭合的过程中，短路故障电流If分别流过电磁驱动杆中的电磁阻尼盘与开关3组成的支路和开关2与超导元件组成的支路，这两条支路并联。在此过程中主要由超导元件失超进行限制故障电流。

(3)在电磁驱动杆的作用下开关2即将断开且开关1即将闭合的瞬间，控制电路部分通过电流互感器、电压互感器和控制回路的作用使得开关3同时断开，短路故障电流全部流经开关1和限流元件，由限流元件限制短路故障电流。与此同时，超导元件进入恢复超态的过程。

(4)短路故障电流消除后，电磁驱动杆线圈电流减小，在电磁驱动杆的作用下，联动开关1和开关2，使开关1断开，开关2闭合，且控制电路部分作用使开关3闭合，超导限流器完成复位，为下次动作做好准备。

1.3　混合型超导限流器阻抗特性

混合型超导限流器在限流过程中呈现的随时间变化阻抗特性曲线如图2所示。当系统在t0时刻发生短路故障，在t0至t1时间段内超导元件失超，阻抗值呈现指数形式增长。短路电流在t1时刻使驱磁线圈动作，在t1至t2时刻驱磁线圈与超导元件并联限流，在此期间H-SFCL的阻抗近似线性变化。驱磁线圈动作结束后进入t2时刻，在t2至t3表示仅由H-SFCL的限流元件作用限制短路电流，H-SFCL的阻抗几乎为定值。t3时刻表示短路故障结束后，H-SFCL的阻抗瞬间变为零。

图2　混合型超导限流器故障后阻抗变化曲线

混合型超导限流器在失超后对外电路呈现的阻抗数学方程如下：

(1)

ZSFCL(t)=[a(t-t1)+Rr]/jx(t1

(2)

ZSFCL(t)=ZRLC(t2

(3)

ZSFCL(t)=0(t3

(4)

式中：t0表示超导元件失超的时刻；Rn表示超导元件刚失超后的聚集电阻；TF为超导原件失超过程中的时间常数；t1表示驱磁线圈动作的时刻；Rr表示超导元件失超后恢复的聚集电阻；a表示电阻恢复斜率；jx表示驱磁线圈的电抗值；t2表示H-SFCL的限流元件工作初始时刻；ZRLC表示限流元件的阻抗值；t3表示H-SFCL的限流元件工作结束时刻。

2　混合型超导限流器仿真模型与仿真研究

2.1　混合型超导限流器仿真模型

为了研究混合型超导限流器的原理的可行性和为今后的试验应用提供基础，根据混合型超导限流器的组成和元件特性[8]，在Simulink环境下搭建仿真模型。图3所示为混合型超导限流器的仿真模型。

混合型超导限流器的仿真模型中，快速开关部分由电磁驱动子模块和两个开关模块组成；控制电路模块由控制电路子模块、电流和电压互感器组成，限制电流部分由限流元件模块和开关模块组成；超导部分由超导元件子模块组成。系统发生故障后，混合型超导限流器的仿真模型工作如下:

(1)超导元件模块的电阻值在0.5 ms内迅速增大限制短路电流[9]14；(2)电磁模块中检查到的电流增大信号，驱使开关2断开，开关1闭合，需要耗时2 ms，在此过程中是电磁驱动模块中的电阻和超导元件进行并联限流；(3)当快速开关部分即将完成开关2断开，开关1闭合的瞬间，控制电路中的电压互感器和电流互感器检测的电压和电流数据传输到控制的电路，通过控制回路的信息处理和逻辑控制，同时完成开关3的断开，故障电流完全有限流元件限制，在此过程中超导元件由于没有电流通过，可以完成由高阻态到超导态的转变；(4)当故障结束后，限流器按照(3)、(2)、(1)的步骤完成动作，恢复至正常态。

图3　混合型超导限流器的仿真模型

图4　装设混合型超导限流器的电路拓扑结构图

2.2　混合型超导限流器仿真研究

将混合型超导限流器仿真模型，接入简单的单相电路中，以研究混合型超导限流器限流和工作特性，如图4所示。该仿真系统由发电机、变压器、混合型超导限流器和馈线1组成，系统主要参数如表1所示，馈线电流由I1表示。

表1　系统主要参数

(1)当系统装设H-SFCL时，仿真系统在0.5 s发生接地故障时，电流I1的变化，如图5所示。

图5　装设H-SFCL的系统故障电流波形

由图5可知，系统在0.5 s时刻F1处发生接地故障后，电流I1迅速增大且峰值超过150 A，系统装设H-SFCL可以降低故障电流至120 A左右，如I1的电流波形所示。在混合型超导限流器仿真模型中，限流器正常运行时阻抗值为0 Ω，当故障发生0.5 ms后超导元件的阻抗值增大为0.06 Ω[9]15，在故障发生1 ms后驱磁线圈动作，此时驱磁线圈的阻抗为0.016 H，超导元件和驱磁线圈并联限制短路电流，在故障发生2 ms后超导元件和驱磁线圈断开，仅由限流元件限制故障电流，其阻值为0.075 Ω。另外，利用限流元件限制短路电流的间隔时间，超导元件和驱磁线圈可以很快地恢复至初始状态。因此，混合型超导限流器的恢复时间很短。

图6　故障发生后H-SFCL内部电流变化

(2)当系统装设H-SFCL时，仿真系统在0.5 s发生单相接地短路故障，H-SFCL内部电流变化如图6所示。

由图6可知，故障情况下，混合型超导限流器内部电流的变化与理论分析的运行和动作流程相一致。首先超导元件失超呈现高阻态限制故障电流，同时电磁驱动杆电流增大，如超导元件线路电流波形和驱磁线圈线路电流波形所示；然后限流元件动作限制故障电流，如限流元件回路电流波形所示。

3　混合型超导限流器与继电保护的协调配合

针对超导限流器在配电系统中与继电保护协调配合，本文主要研究与过流保护的协调配合问题。

目前，配电系统普遍采用反时限过流保护，当故障电流越大，保护动作时限越短，电流小时故障动作时限自动加长，能够很好地解决保护灵敏性和选择性问题[3]99，并且具有可靠性高和经济性好的问题。

(5)

即当故障发生后，由于装设H-SFCL使短路电流减小，反时限过流保护有可能会因为短路电流小于其动作时限延长或者保护拒动。因此，在装设H-SFCL后必须重新整定电流保护。

假设装设H-SFCL的情况下，已知流过保护的故障电流值，可应用如下公式计算主保护动作时间tprimary和后备保护动作时间tback-up:

(6)

(7)

(8)

(9)

式中:系数A、B和C由IEEE Std.C37.112的不同类型反时限特性曲线确定;TDS为时间系数;If，primary和If，back-up为流过主后备保护的故障电流，Ipick-up，primary和Ipick-up，back-up为主后备保护的动作电流。另外，通过设置时间系数TDS可以调整继电器的动作时间。为了确保继电保护的协调配合，在故障发生的位置主保护动作时间必须短于后备保护，则主后备保护的约束条件为：

tback-up-tprimary≥ΔT

(10)

ΔT为保护范围内允许后备保护切除故障的最小时间间隔，包括断路器跳闸时间、继电器可能出现的提早闭合点的时间和考虑计算短路电流可能产生的误差而留有的一定裕度[2]4。

因此，在装设H-SFCL后的系统中，通过重新计算主后备保护的动作时间，然后满足主后备保护的约束条件，即完成了混合型超导限流器与过流保护的配合。

4　仿真实例验证

为了比较装设混合型超导限流器的配电系统在故障环境下保护整定前与把保护整定后的差异，验证整定方法的可靠性，采用Simulink软件搭建模型进行仿真分析，参照某市35 kV配电系统的典型配电系统搭建模型，系统参数配置如下。电源：50 Hz，35 kV；线路AB=17.7 km，AC=12.5 km，BD=13.6 km，BE=15.6 km，CF=14.9 km，其中线路阻抗为R=0.131 Ω/km,X=0.372 Ω/km;负荷Load1=120+j0.287；Load2=130+j0.356；Load3=200+j0.596。系统的拓扑结构如图7所示。

图7　 配电系统拓扑结构图

当该系统正常运行时，线路AB处的电流I1为146 A，在F1处发生短路故障时，各种短路情况下的短路电流值如表2所示。

表2　各种情况下线路AB处的短路电流

经过仿真分析可知，系统在三相短路中的短路故障电流最大。因此，以下分析均为系统的三相短路故障情况下进行的。

(1)当系统没有装设H-SFCL时，如图8所示。在0.5 s时刻F1处发生短路故障，I1处的故障电流大于500 A。由于I1处的短路故障电流大于继电保护动作的动作值，因此继电保护在故障后0.024 s将故障线路断开。

图8　未装设H-SFCL时的线路AB处的电流波形

(2)当系统装设H-SFCL时，如图9所示，同样在0.5 s时刻F1处发生短路故障，I1处故障电流超过系统正常运行电流，H-SFCL动作限制故障电流，使得故障电流限制在285 A以内，低于继电保护装置动作值，则保护装置不动作，故障线路没有被切断，故障仍存在。此时需要重新整定继电保护装置的动作值，使被H-SFCL限制后，断路器能够正常开断。

图9　装设H-SFCL时的线路AB处的电流波形

图10　装设H-SFCL时保护重新整定后的线路AB处的电流波形

(3)装设H-SFCL的系统，重新整定继电保护装置的动作值后，当系统在0.5 s时刻F1处发生短路故障的电流波形如图10所示。

由图10可知，系统在0.5 s时刻发生故障，H-SFCL动作限制故障电流的增长，并且继电保护装置动作，在故障发生后0.033 s切断故障限流。相比没有装设H-SFCL的故障系统，故障切除时间延长0.009 s。

因此，系统装设H-SFCL后，必须重新整定继电保护的动作值，才能可靠地切除故障线路对系统的影响。

5　结束语

电力系统中装设超导限流器可以有效地增强系统的安全稳定运行。本文分析混合型超导限流器限制短路故障电流能力，并研究混合型超导限流器与继电保护协调配合的问题。描述了混合型超导限流器可以有效地降低短路故障电流，提出解决混合型超导限流器和继电保护协调配合的方法。通过重新整定继电保护的动作值消除超导限流器对继电保护的影响，为推广超导限流器在电网中的应用提供理论基础。

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