超導(dǎo)故障限流器smcl在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

超導(dǎo)故障限流器smcl在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

0超聲故障限流器隨著電網(wǎng)容量的增加，我國電網(wǎng)系統(tǒng)短路電流的水平不斷提高。據(jù)國家發(fā)改委統(tǒng)計,截至2004年底,中國發(fā)電裝機容量達到440GW,居世界第2。目前電網(wǎng)中有些節(jié)點的短路電流水平已經(jīng)超過50kA。到2020年,上海一些500kV變電所的短路電流將>63kA。當短路電流超過斷路器的開斷能力后,斷路器無法有效切除短路故障,這將對電力系統(tǒng)穩(wěn)定造成很大威脅。針對這個問題,超導(dǎo)故障限流器(superconductingfaultcurrentlimiter,SFCL)就應(yīng)運而生了。目前,國內(nèi)外對超導(dǎo)故障限流器(SFCL)的研究已經(jīng)進入高速發(fā)展時期,我國中科院電工所采用Bi2223超導(dǎo)材料研制的10.5kV/1.5kA的三相橋路型SFCL已經(jīng)試驗完畢。國內(nèi)外已研制完成的SFCL種類較多,其關(guān)鍵技術(shù)在限流水平設(shè)置、繼電器和繼電保護的協(xié)調(diào)動作以及限流后系統(tǒng)恢復(fù)等方面。經(jīng)過理論和仿真實驗得出,電力系統(tǒng)中合理引入SFCL可以提高供電的可靠性和系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性,但是SFCL阻抗的變化特性會在系統(tǒng)中產(chǎn)生協(xié)調(diào)運行的問題。因此本文根據(jù)SFCL引入系統(tǒng)不同位置分別研究了其對電力系統(tǒng)自動重合閘和繼電保護裝置的影響,并且針對部分影響給出了解決辦法。1不帶鐵心的滑移態(tài)SFCL是利用超導(dǎo)材料的超導(dǎo)態(tài)/正常態(tài)(S/N)轉(zhuǎn)變特性和無阻高密度載流特性及一些輔助部件來實現(xiàn)限流的系統(tǒng)設(shè)備。SFCL在正常運行時表現(xiàn)為零阻抗或極小阻抗,幾乎能無損耗地通過額定電流,故障時可以在幾ms內(nèi)作出反應(yīng),并產(chǎn)生一個適當?shù)淖杩?把短路電流限制在允許范圍。目前,SFCL已經(jīng)有許多類型,見圖1,根據(jù)結(jié)構(gòu)特點可分為電阻型、橋路型、磁屏蔽型、飽和鐵心電抗器型、變壓器型、三相電抗器型等,前兩種不帶鐵心,后幾種帶有鐵心;按照不同的限流方式,可分為電阻型、電感型以及電阻-電感型;此外,根據(jù)是否利用超導(dǎo)體的失超特性限流,又可分為失超型和不失超型。當故障電流超過SFCL的動作電流時,失超型SFCL利用超導(dǎo)體從超導(dǎo)態(tài)到正常態(tài)阻抗急劇變化的特性進入高阻狀態(tài)并維持恒定;不失超型SFCL則利用輔助電路使阻抗隨著線路電流的周期性變化在高阻與低阻狀態(tài)之間切換。在超導(dǎo)體由正常態(tài)恢復(fù)到超導(dǎo)態(tài)方面,失超型SFCL需要較長的時間,如電阻型SFCL,其失超恢復(fù)時間最長可達10s;不失超型SFCL的超導(dǎo)線圈是自動投入或退出限流狀態(tài),主要有兩種類型:飽和鐵心電抗器型和橋路型。飽和鐵心電抗器型SFCL在故障后的限流期間內(nèi)超導(dǎo)線圈不會失超,具有多次自啟動的能力;橋路型SFCL能夠在0.5s內(nèi)從第2次故障中恢復(fù)。由此可以看出不失超型SFCL基本不存在失超恢復(fù)問題,但其阻抗的變化特性會影響繼電保護裝置的正確動作和系統(tǒng)的安全運行。圖2所示為不失超型SFCL阻抗隨線路電流變化的波形,設(shè)SFCL由低阻狀態(tài)向高阻狀態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界線路電流為動作電流I0,SFCL的阻抗值ZSFCL=RSFCL+jXSFCL。2發(fā)電機端保護電為了能夠有效降低系統(tǒng)短路電流水平,SFCL主要安裝在以下3個位置,見圖3:1)發(fā)電機、主變壓器支路,保護發(fā)電機端母線和主變壓器。2)饋電線路,限制各條饋線支路的短路電流。3)母線聯(lián)絡(luò)線,用來限制2個系統(tǒng)母線短路電流水平,并能維持母線電壓。3合閘裝置運行故障電力系統(tǒng)中,大多數(shù)送電線路的故障為瞬時性故障。在線路被斷開以后再進行一次合閘,就有可能大大提高供電的可靠性。為此電力系統(tǒng)中采用了自動重合閘,即當斷路器跳閘之后,能夠自動地將斷路器重新合閘的裝置。為了能夠更好的發(fā)揮重合閘的作用,重合閘一般都要與繼電保護裝置和斷路器配合。根據(jù)我國一些電力系統(tǒng)的運行經(jīng)驗,重合閘的動作時限采用1s左右的時間較為合適。圖4為某系統(tǒng)重合閘裝置工作情況,設(shè)線路L1發(fā)生永久故障,斷路器立即斷開,延遲0.5s重合閘裝置自動合閘,合閘不成功再次斷開,延遲15s再次合閘,合閘不成功發(fā)閉鎖信號。一些文獻仿真實驗表明電力系統(tǒng)中合理引入SFCL可以提高供電可靠性和系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性,但是由于SFCL存在阻抗變化特性和失超恢復(fù)時間的問題,系統(tǒng)中不同位置安裝SFCL會對電力系統(tǒng)自動重合閘和繼電保護裝置產(chǎn)生不同影響。3.1減少損耗對變壓器的危害安裝在發(fā)電機支路的SFCL,能夠降低發(fā)電機端發(fā)生故障時的短路電流,保護發(fā)電機端母線;安裝在主變壓器支路的SFCL能夠保證在不更換斷路器的條件下使用更大容量的變壓器,并能減少各種損耗對變壓器的危害。發(fā)電機的安全運行對保證電力系統(tǒng)的正常工作起決定性作用,同時發(fā)電機本身也是十分貴重的電氣設(shè)備。一般情況下,發(fā)電機裝設(shè)有完善的繼電保護裝置:縱差動保護、橫差動保護、瓦斯保護、定子繞組單相接地保護、后備保護、過負荷保護以及失磁保護等。因此發(fā)電機端裝設(shè)SFCL會影響這些保護裝置,應(yīng)重新整定這些保護裝置。但是,失超型SFCL不僅能夠短時限制機端的故障電流,而且故障后在其失超恢復(fù)過程內(nèi)仍存在的高阻抗還可以起到制動電阻的作用,提高了電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。3.2傳輸連接線和連接線3.2.1抗繼電器整定值的確定對于裝設(shè)距離保護的饋電線路,SFCL的失超恢復(fù)時間不會對重合閘產(chǎn)生影響,但其限流期間內(nèi)阻抗的變化會對保護所在處測量阻抗有影響。圖5為方向阻抗繼電器和自動重合閘裝置的網(wǎng)絡(luò)接線圖,圖中YH為電壓互感器;LH為電流互感器;ZCH為自動重合閘裝置。圖6為加入SFCL前后方向阻抗繼電器的動作特性。圖中Zzd為整定阻抗,ZJ為測量阻抗,ZSFCL為SFCL的限流阻抗。圖6(a)示出方向阻抗繼電器能夠啟動(即測量阻抗ZL位于特性圓內(nèi))的條件為:|ΖJ-12Ζzd|≤|12Ζzd|。(1)∣∣ZJ?12Zzd∣∣≤∣∣12Zzd∣∣。(1)故障發(fā)生后,SFCL的限流阻抗ZSFCL會串入故障回路,破壞了原來線路的固有阻抗特性。圖6(b)示出,加入SFCL后,原本在特性圓內(nèi)的測量阻抗ZJ可能變?yōu)閳A外的測量阻抗Z′J,這將導(dǎo)致方向阻抗繼電器檢測不到圓內(nèi)的故障而使得保護失靈。因此在SFCL接入系統(tǒng)前需要根據(jù)其參數(shù)重新整定繼電器整定阻抗Zzd的值,距離保護第Ⅰ段的整定值應(yīng)修改為:Ζ′zd=Ζzd+ΖSFCL。(2)這樣串入SFCL后的測量阻抗Z′J就落在新的整定阻抗Z′zd的特性圓內(nèi),當出現(xiàn)故障時繼電器能夠迅速正常動作而不會保護失靈。3.2.2自動控制合閘時間SFCL的變化特性對線路電流的波形和幅度也會產(chǎn)生一定的影響。當電源電勢一定時,三相短路電流可表示為:Ιd=EΦΖΣ。(3)式中,EΦ為系統(tǒng)等效相電勢;ZΣ為保護點到系統(tǒng)等效電源之間的阻抗。串入SFCL后短路電流變?yōu)?Ι′d=EΦΖΣ+ΖSFCL。(4)當發(fā)生故障時,由于SFCL限流阻抗的影響使得短路電流減小,電流保護有可能會因為線路電流小于其動作電流而導(dǎo)致保護失靈。同理,在投入使用SFCL前需要重新整定電流保護,電流Ⅰ段保護起動電流應(yīng)該按照式(4)引入SFCL后短路電流I′d進行整定。當故障切除后,重合閘裝置也會受到SFCL的一些影響,分述為下:1)若線路發(fā)生不對稱故障,SFCL快速變?yōu)楦咦钁B(tài)接入線路中,限制了短路電流的增長。但是失超型SFCL在失超恢復(fù)期間形成的不對稱高阻而引起的三相電壓不平衡會使得重合閘不成功,如電阻型SFCL,需采用兩套互為備用以滿足自動重合閘的要求。圖7所示為系統(tǒng)發(fā)生單相(A相)短路故障電阻型SFCL自動投入。由于其失超恢復(fù)時間(最長大約10s)大于自動重合閘的合閘時間,當重合閘啟動時A相中仍然存在SFCL的高阻抗,這會導(dǎo)致三相阻抗不相等,使得系統(tǒng)三相電壓不平衡。當三相不平衡系統(tǒng)中負序、零序分量偏大,就會導(dǎo)致一些作用于負序、零序電流的保護和自動裝置誤動作,威脅電力系統(tǒng)的安全運行。2)若線路發(fā)生三相對稱短路故障,失超型SFCL的恢復(fù)時間不僅不會影響成功進行重合閘,而且這段恢復(fù)時間還有一些有利的方面。(a)重合時由于SFCL的存在,使得系統(tǒng)受到永久故障的再次沖擊減小,有利于系統(tǒng)穩(wěn)定。(b)由于SFCL的存在,重合沖擊電流減小,有利于保護高壓線路的絕緣。3)對于橋路型SFCL,由于它采用了速度快的半導(dǎo)體功率開關(guān)和靈活的控制模式,因此可以實現(xiàn)軟自動重合閘。當繼電保護裝置發(fā)出重合閘指令時,橋路就可按控制角大于90°投入工作,然后逐漸減小控制角,使得線路上的電流按照可控的方式緩慢上升。如果重合于永久性故障,橋路則會重新工作于逆變狀態(tài),切斷電網(wǎng)回路以防止系統(tǒng)受到再次沖擊;如果重合閘成功,則觸發(fā)全部開關(guān)管,進入穩(wěn)定運行狀態(tài)。3.2.3高頻封閉保護高頻保護的原理是反應(yīng)被保護線路首末兩端電流的差或功率方向信號,用高頻載波將信號傳輸?shù)綄?cè)加以比較而決定保護是否動作,其影響為:1)對高頻閉鎖距離保護的影響。在高頻閉鎖距離保護中,作為停訊元件的阻抗繼電器,同樣也會受到SFCL的影響,其影響與對距離保護的影響相似,因此對其整定時應(yīng)在不影響動作選擇性的基礎(chǔ)上,增大其整定值以配合SFCL的出現(xiàn)。2)對高頻閉鎖負序方向保護的影響。高頻閉鎖負序方向保護可以反應(yīng)于各種不對稱短路,當發(fā)生不對稱故障時,SFCL的失超恢復(fù)時間同樣會影響高頻閉鎖負序方向保護的動作速度。4繼電保護和自動重合閘裝置電力系統(tǒng)中裝設(shè)SFCL在改善系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定