超導故障限流器smcl在電力系統中的應用

0超聲故障限流器

隨著電網容量的增加，我國電網系統短路電流的水平不斷提高。據國家發改委統計，截至

2004年底，中國發電裝機容量達到440GW,居世界第2。目前電網中有些節點的短路電流水

平已經超過50kAo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,這將對電力系統穩定造成很大威

脅。針對這個問題，超導故障限流器(superconductingfaultcurrentlimiter,SFCL)就

應運而生了。

目前，國內外對超導故障限流器(SFCL)的研究一經進入高速發展時期,我國中科院電工所采

用Bi2223超導材料研制的10.5kV/1.5kA的三相橋路型SFCL已經試驗完畢。國內外已

研制完成的SFCL種類較多，其關鍵技術在限流水平設置、繼電器和繼電保護的協調動作以

及限流后系統恢復等方面，

經過埋論和仿真實驗得出，電力系統中合埋引入SFCL可以提高供電的可靠性和系統的安全

性與穩定性，但是SFCL阻抗的變化特性會在系統中產生協調運行的問題。因此本文根據

SFCL引入系統不同位置分別研究了其對電力系統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

SFCL是利用超導材料的超導態/正常態(S/N)轉變特性和無阻高密度載流特性及一些輔助部

件來實現限流的系統設備,SFCL在正常運行時表現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ins內作出反應，并產生一個適當的阻抗,把短路電流限制在

允許范圍。

目前,SFCL已經有許多類型，見圖1,根據結構特點可分為電阻型、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,根據是否利用超導體的失超

特性限流，又可分為失超型和不失超型。

當故障電流超過SFCL的列作電流時，失超型SFCL利用超導體從超導態到正常態阻抗急劇

變化的特性進入高阻狀態并維持恒定；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之間切換。在超導體由正常態恢復到超導態方面，失超型

SFCL需要較長的時間，如電阻型SFCL,其失超恢復時間最長可達10s;不失超型SFCL的超導

線圈是自動投入或退出限流狀態,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超導線圈不會失超，具有多次自啟動的能力；橋路型

SFCL能夠在0.5s內從第2次故障中恢復。由此可以看出不失超型SFCL基本不存在失超恢

復問題，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的安全運行。圖2所

示為不失超型SECL阻抗隨線路電流變化的波形,設SECL由低阻狀態向高阻狀態轉變的臨

界線路電流為動作電流I。,SECL的阻抗值ZSFCL=RSFCL巧XSFCL。

2發電機端保護電

為了能夠有效降低系統短路電流水平,SFCL主要安裝在以下3個位置，見圖3:

1）發電機、主變壓器支路，保護發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）母線聯絡線,用來限制2個系統母線短路電流水平，并能維持母線電壓。

3合間裝置運行故障

電力系統中，大多數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間，就

有可能大大提高供電的可靠性。為此電力系統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。根據我國一些電力系統的運行經驗,重合閘的動作時限

采用1s左右的時間較為合適。圖4為某系統重合閘裝置工作情況,設線路L1發生永久故

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，合閘不成功發閉鎖信號。

一些文獻仿真實驗表明電力系統中合理引入SFCL可以提高供電可靠性和系統的安全性與

穩定性，但是由于SFCL存在阻抗變化特性和失超恢復時間的問題，系統中不同位置安裝

SFCL會對電力系統自動重合閘和繼電保護裝置產生不同影響。

3.1減少損耗對變壓器的危害

安裝在發電機支路的SFCL,能夠降低發電機端發生故障時的短路電流，保護發電機端岸線；

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。

發電機的安全運行對保證電力系統的正常工作起決定性作用，同時發電機本身也是十分貴

重的電氣設備。一般情況下，發電機裝設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。因此發電機

端裝設SFCL會影響這些保護裝置,應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過程內仍存在的高阻抗還可以起到制

動電阻的作用，提高了電力系統的暫態穩定性。

3.2傳輸連接線和連接線

3.2.1抗繼電器整定值的確定

對于裝設距離保護的饋電線路,SFC1.的失超恢復時間不會對重合閘產生影響,但其限流期間

內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

的網絡接線圖，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后動(即測量阻抗ZL位于特性圓內)的

條件為：

|ZJ-12Zzd|^|12Zzd|>(1)||ZJ-12Zzd||W|I12Zzd||.(1)

故障發生后,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,原本在特性圓內的測量阻抗ZJ可能變為圓外的測量阻抗VJ,這

將導致方向阻抗繼電器檢測不到圓內的故障而使得保護失靈。因此在SFCL接入系統前需

要根據其參數重新整定繼電器整定阻抗Zzd的值,距離保護第I段的整定值應修改為：

Z'zd=Zzd+ZSFCLo(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，當出現故障時

繼電器能夠迅速正常動作而不會保護失靈。

3.2.2自動控制合同時間

SFCL的變化特性對線路電流的波形和幅度也會產生一定的影響。當電源電勢一定時,三相

短路電流可表示為：

Id=EOZSo(3)

式中,E<D為系統等效相電勢;ZE為保護點到系統等效電源之間的阻抗。串入SFCL后短路

電流變為：

I'd=E(DZS+ZSFCL.(4)

當發生故障時，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段保護起動電流應該按照式⑷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)若線路發生不對稱故障,SFCL快速變為高阻態接入線路中，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間不

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所示為系統發生單相(A相)短路故障電阻型SFCL自動投入。由于其失超恢復時間(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SECL的高阻抗，

這會導致三相阻抗不相等,使得系統三相電壓不平衡。當三相不平衡系統中負序、零序分

量偏大，就會導致一時作用于負序、零序電流的保護和自動裝置誤動作，威脅電力系統的安

全運行。

2）若線路發生三相對稱短路故障,失超型SFCL的恢復時間不僅不會影響成功進行重合閘，

而且這段恢復時間還有一些有利的方面。

（a）重合時由于SFCL的存在，使得系統受到永久故障的再次沖擊減小,有利于系統穩定。

（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體功率開關和靈活的控制模式,因此可以

實現軟自動重合閘。當繼電保護裝置發出重合閘指令時，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,切斷電網回路以防止系統受到再次沖擊;如果宣合

閘成功,則觸發全部開關管,進入穩定運行狀態。

3.2.3高須封閉保護

高頻保護的原理是反應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

傳輸到對側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,因此對其整定時應在不影響動作

選擇性的基礎上,增大其整定值以配合SFCL的出現。

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于各種不對稱短路，

當發生不對稱故障時，SFCL的失超恢復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間裝置

電力系統中裝設SFCL在改善系統暫態穩定性和動態穩定