基于电阻型超导限流器的直流线路纵联保护方法

2020-08-24 08:01肖磊石盛超骆潘钿王常骐杨嵩

广东电力 2020年8期

肖磊石，盛超，骆潘钿，王常骐，杨嵩

(1.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东广州 510080；2.天津大学，天津 300072)

柔性直流(以下简称“柔直”)系统在实现大电网柔性互联、大规模新能源接入等方面发挥着重要作用[1-3]。然而，大容量高压直流换流器的元件性能与拓扑结构使其不具备抵抗短路冲击的能力，直流故障电流无自然过零点等特殊问题又加剧了快速故障断流的难度，这些关键问题成为制约直流系统发展的重要技术瓶颈。

超导直流限流器(superconducting fault current limiter，SFCL)以具有正常输电呈现低阻抗、故障限流高阻抗、故障响应速度快等独特、优越的性能，将在直流系统的发展应用中发挥重大作用[4-7]。目前的超导交流限流器发展较为成熟[8-11]，相关研究工作主要集中在实验室原理小型样机的层面[12-16]。中国南方电网有限责任公司(以下简称“南网”)于2017年提出并制造的±160 kV/1 kA电阻型超导直流限流器(resistance superconducting fault current limiter，R-SFCL)，是目前国内最早的工程样机，拟于2020年在广东南澳挂网示范运行[17-18]。该装置在实际柔直输电系统中的应用研究，有望为限流装置在电网的推广应用打下良好的技术储备，对提升柔直输电系统的故障清除能力具有重要意义。

另一方面，直流断路器作为一种快速可靠的直流故障隔离设备，其开断能力也受到短路电流水平的考验[19]。利用超导直流限流器来限制直流短路电流的幅值，是降低配套断路器的开断容量、提高直流电力系统运行安全、实现故障快速隔离的重要手段之一。直流断路器(DC circuit breaker，DCCB)通常与超导直流限流器以串联的方式安装在直流线路两端，且二者需要与直流系统保护时序进行逻辑配合，才能够真正实现对故障的可靠隔离[20]。

基于电阻型超导限流器的方向纵联保护原理与基于线路电流量的保护类似，但其与电流保护相比，具有以下优点：①基于限流器电压的方向纵联保护所得的电压参数可以直接用于电压不平衡保护，保护单极接地故障。电阻型超导限流器本身配置有电压检测装置，通过将限流器两出线端口的对地电压值作差的方式实现对电压参数的获取；因此，利用电阻型超导限流器换流站一侧的对地电压测量装置，可以直接为直流电压不平衡保护提供测量信号，减少设备的重复投资。②相对电流保护，方向纵联保护无需昂贵且可靠性低的高压直流电流测量设备。目前在高压直流系统中广泛应用的直流电压互感器(current transformer，CT)基于阻容分压原理，技术相对成熟，可靠性和准确性较高；另一方面，国内外直流输电系统中采用较多的直流电流测量装置为有源式直流互感器，该类型互感器串接于直流线路中，消耗功率较大，短路故障时有烧毁的风险，器件寿命较短，可靠性较低，价格昂贵且运行维护成本随着设备运行年限的增加而直线增加。

鉴于此，本文结合南澳三端柔直示范工程保护方案配置的实际需求，提出一种基于直流断路器和超导电阻型限流器的柔直系统故障保护技术方案。该方案利用电阻型超导限流器本身配置的电压监测设备，无需额外装设相应的保护测量装置，经济性和可靠性均优于基于电流量测量的电流保护。通过电阻型超导直流限流器在限流状态下检测到限流器两端电压的正负，实现对区内外故障的有效判别和准确隔离。

1 南澳柔直系统

1.1 南澳示范工程

±160 kV南澳多端柔直示范工程是由南网于2013年底建成并投运的世界首个多端柔直工程。该工程包括塑城(受端)、金牛(送端)和青澳(送端)3个换流站，远期将扩建塔屿换流站(送端)，变成四端柔直工程。已建成的塑城、金牛和青澳换流站设计容量分别为200 MW、100 MW和50 MW，采用基于半桥型子模块级联型多电平换流器，塑城换流站到金牛换流站的输电线路包括24.1 km电缆和8.1 km架空线，青澳换流站到金牛换流站的输电线路为12.5 km架空线。每条直流线路两端装设直流断路器和超导直流限流器后，系统结构如图1所示，F1和F2为故障点。该示范工程的主要作用是将南澳岛上分散的间歇性清洁风电通过青澳换流站和金牛换流站接入并通过塑城换流站输出，系统的其他参数见表1。

图1 南澳柔直工程示意图Fig.1 Structure of Nan’ao flexible DC system

表1 南澳多端柔直系统参数Tab.1 Parameters of Nan’ao flexible DC system

目前，直流故障的隔离方式主要有3种，分别依靠交流断路器隔离、换流站闭锁隔离以及直流断路器隔离的方式实现。直流系统故障的发生过程极快，电流从额定值到达故障电流峰值的时间只需数毫秒[1]，常规的交流断路器无法满足动作速度要求。而通过换流站闭锁方式清除故障的方法，虽然动作速度很快，但会造成短时全网失电，对交流侧产生冲击，影响系统的安全运行。

对于安装有直流断路器的柔直系统来说，如果故障发生后先由直流断路器跳开故障线路，换流器闭锁仅作为直流断路器保护的后备保护，那么直流系统不会停运，对交流侧的冲击也会大大减小。现有的直流断路器开断速度通常需要在故障发生后数毫秒之内开断直流侧故障。按照现有的柔直输电工程保护整定原则，当桥臂电流超过额定电流的2倍时将触发换流器闭锁。为防止换流器闭锁，必须通过直流限流器辅助直流断路器开断。因此，考虑直流限流器与直流断路器之间的时序配合，是可靠实现故障隔离的重要环节。对于多端柔直系统来说，故障发生后，若判断为区内故障，准确跳开相应线路两端直流断路器是保障系统可靠故障穿越的重要条件。

1.2 电阻型超导直流限流器

图2为电阻型超导限流器的基本结构，由超导模块R-SFCL和分流保护电阻构成。其主要原理是利用超导体从超导态向正常态快速转变时失超体现出的限流电阻来限制电力系统的故障电流，即：正常运行时无电阻，不会对系统运行产生影响；故障限流时高电阻，体现对故障电流的限制。电阻型超导限流器通常由无感绕制的超导线圈(或线圈组)组成，具有自动检测故障、结构紧凑、响应迅速、原理简单及实现容易等优点。

图2 电阻型超导限流器基本结构Fig.2 Basic structure of DC R-SFCL

需要指出的是：超导独特的失超特性导致其仅在故障发生时产生限流电阻，因此依赖检测两端电流大小和方向的传统的电流差动保护并不完全适用。为此，提出一种计及R-SFCL的直流限流纵联保护新方法，以解决检测和清除直流故障的问题。

2 纵联保护原理

多端柔直系统故障时，要求能够准确识别故障位置、快速切除故障线路，即必须采取有效的技术方案对直流故障线路进行保护[21]。故障限流器和直流断路器在多端柔直系统中的安装位置如图1所示。电阻型超导限流器在发生故障后的响应时间很快，通常可以在1～3 ms内失超，呈现出限流电阻。为了监测电阻型超导限流器的运行状态，其内部装设有电压检测设备，用于监测其是否失超。利用电阻型超导限流器本身的故障电压监测设备给保护装置提供输入信号，可以有效实现直流线路保护。本文提出一种基于直流断路器和电阻型超导限流器的直流保护方案，其整体逻辑如图3所示，图中USFCL为电阻型超导限流器电压。

图3 基于电阻型超导限流器的方向纵联保护方案逻辑框图Fig.3 Flow chart of directional pilot protection of DC line based on R-SFCL

首先，通过电阻型超导限流器自身的电压监测设备检测限流器两端的电压大小和方向，以换流站指向线路为电压的正方向。若在电阻型超导限流器两端检测到故障电压幅值上升沿，则判断有故障发生，判断标准为：|Ufault|>2Uerr，其中，|Ufault|为电阻型超导限流器两端的故障电压值，Uerr为电压互感器的测量误差。

然后，根据线路两端的两台超导限流器故障电压的正负方向判断区内外故障。

当本端超导限流器两端的故障电压检测为正，则启动直流断路器，直流断路器开始动作切除故障。此时分为2种情况，在直流断路器切除故障的过程中：若收到对端发来的闭锁信号，则判定此故障是区外故障，停止开断线路，并重新给混合式直流断路器的换流支路上的绝缘栅门极晶体管(insulated gate bipolar translator，IGBT)发导通信号；同时，给通流支路上的快速机械开关和辅助换流开关发导通信号，待通流支路完全导通后，再切断直流断路器的换流支路。若未收到对端发来的闭锁信号，则判定此故障是区内故障，继续开断线路，直至故障清除。

当本端超导限流器两端的故障电压检测为负，则直接判定此故障为区外故障，直流断路器不动作。同时，向对端的混合式直流断路器发送闭锁信号，防止对端的直流断路器动作。

上述区内故障情况下的保护时序如图4所示(对于区内故障两超导限流器的动作逻辑一致，在此仅以一端超导限流器为例)。上述区外故障情况下两端的2台超导限流器的保护时序，分别如图5(a)和图5(b)所示。图中，t为时间，Δt1等为每项保护操作之间的时间间隔。

图4 发生区内故障时直流线路两端控制保护时序Fig.4 Control protection time sequence at both ends of DC line under an internal fault

图5 发生区外故障时直流线路两端控制保护时序Fig.5 Control protection time sequence at both ends of DC line under an external fault

待故障清除后，正常线路上的电阻型超导限流器进入失超恢复状态，同时保护元件重新进入待机状态，为下一次故障检测做好准备。

另一方面，由于电阻型超导限流器是基于对端的闭锁信号来识别区外故障，该保护方案对于直流线路的长度有一定的要求。以安装混合式直流断路器为假设条件，其开断时间可以达到3 ms左右。因此，若要防止混合式直流断路器因区外故障误动作，闭锁信号传输的时间TCB需要小于3 ms。考虑到信号输入和处理过程的延时和工程实现成本等因素，取光纤通信传输速率vs为100 km/ms[15]，则可以得到本保护方案能够适用线路的最大长度为lmax=TCB×vs=300 km。

3 案例简析

在PSCAD软件中搭建如图6所示的四端伪双极柔直系统。其中，在4个换流站中，换流站1采用定直流电压和定无功功率控制，其余换流站采用定有功功率和定无功控制；直流断路器采用混合式直流断路器，容量与换流站容量相匹配。此外，为简化分析直流线路采用集中参数模型，详细仿真系统参数见表2。

图6 四端柔性直流系统拓扑Fig.6 Four-terminal flexible DC system topology

表2 基于MMC的四端柔性直流系统的仿真参数Tab.2 Simulation parameters of MMC-based HVDC system

图6中，以线路1的保护为例，以换流站指向线路为电压的正方向。当故障发生在F1和F2处时，电阻型超导限流器两端的故障电压大小和方向见表3。

表3 超导限流器故障电压和故障类型关系Tab.3 Relationship between R-SFCL voltage and fault locations

于是，按照本文中的保护原理配置保护元件，设置t0=1.0 s时发生双极短路故障，故障位置分别在F1处和F2处，仿真并记录故障情况直流线路1上的电流I的波形，如图7和图8所示。

图7 F2处发生双极短路故障时线路1中的电流波形Fig.7 Current waveform in line 1 when a bipolar short circuit fault occurs at F2

由图7可知：当F2在t0时刻发生双极短路故障时，对于线路1来说，故障F2属于区外故障，超导限流器将于t1时刻产生故障电压上升沿，线路1上SFCL1两端为正向故障电压，故直流断路器DCCB1立即动作；而在t2时刻，DCCB1接收到对端故障检测逻辑元件发来的闭锁信号，直流断路器的开断过程也随之中止，随后直流断路器的换流支路开始重新导通，由于快速机械开关的闭合需要时间，t2—t3为直流断路器的换流支路导通阶段，至t3时刻直流断路器的通流支路重新导通，换流支路也随之关闭。在此之前，短路故障已由线路2两端的直流断路器清除，线路1中的电流在故障切除后开始振荡进入新的稳态。

图8 F1处发生双极短路故障时线路1中的电流波形Fig.8 Current waveform in line 1 when a bipolar short-circuit fault occurs at F1

由图8可知：当F1在t0时刻发生双极短路故障时，对于线路1来说，故障F2属于区内故障，超导限流器将于t1时刻产生故障电压上升沿，两端直流断路器同时动作，至t2时刻直流断路器完成故障清除，线路1中的直流电路衰减为0。

由仿真结果可知，该纵联保护方法的逻辑演绎结果是十分准确的。系统区内外故障电流暂态特征亦与理论分析相符，充分证明了理论分析的正确性。可见，该纵联保护方法能够可靠对直流线路双极短路故障快速隔离，实现对柔直系统的保护。

4 结束语

针对多端柔直系统直流故障线路可靠识别与快速隔离难的问题，设计了基于直流断路器和电阻型超导限流器的多端柔直系统直流故障保护技术方案。对于两端均安装有电阻型超导限流器的直流线路，基于电阻型超导限流器故障电压的方向纵联保护方案具有故障清除时间短、保护可靠性高、不受线路分布电容和分布电感影响的优点，并且由于保护判据来自于电阻型超导限流器本身的监测设备，故不需要额外的电流电压测量设备，投资成本较低。对于柔直输电系统，本保护可以保护两端安装有电阻型超导限流器的直流线路的全长，可直接作为直流线路的主保护使用；而且随着电阻型超导限流器在柔直系统中的进一步应用，本保护方案也将具有更加广阔的应用前景。

与传统过流保护和电流差动保护的直流故障保护策略相比，该方案动作迅速，无需使用昂贵且可靠性较低的高压直流电流测量设备，在实现相同保护效果的同时大大减少投资，并提高保护动作的可靠性，有效防止保护误动。同时，结合了直流断路器的开断过程，本保护使对端信号的传输和直流断路器的开断同时进行，从而可以更快地清除直流线路上的故障，大大提高保护的速动性。