超导故障限流器smcl在电力系统中的应用

超导故障限流器smcl在电力系统中的应用

0超声故障限流器

随着电网容量的增加，我国电网系统短路电流的水平不断提高。据国家发改委统计，截至

2004年底，中国发电装机容量达到440GW,居世界第2。目前电网中有些节点的短路电流水

平已经超过50kAo到2020年，上海一些500kV变电所的短路电流将＞63kA。当短路电流

超过断路器的开断能力后，断路器无法有效切除短路故障,这将对电力系统稳定造成很大威

胁。针对这个问题，超导故障限流器(superconductingfaultcurrentlimiter,SFCL)就

应运而生了。

目前，国内外对超导故障限流器(SFCL)的研究一经进入高速发展时期,我国中科院电工所采

用Bi2223超导材料研制的10.5kV/1.5kA的三相桥路型SFCL已经试验完毕。国内外已

研制完成的SFCL种类较多，其关键技术在限流水平设置、继电器和继电保护的协调动作以

及限流后系统恢复等方面，

经过埋论和仿真实验得出，电力系统中合埋引入SFCL可以提高供电的可靠性和系统的安全

性与稳定性，但是SFCL阻抗的变化特性会在系统中产生协调运行的问题。因此本文根据

SFCL引入系统不同位置分别研究了其对电力系统自动重合闸和继电保护装置的影响，并且

针对部分影响给出了解决办法。

1不带铁心的滑移态

SFCL是利用超导材料的超导态/正常态(S/N)转变特性和无阻高密度载流特性及一些辅助部

件来实现限流的系统设备,SFCL在正常运行时表现为零阻抗或极小阻抗,几乎能无损耗地

通过额定电流，故障时可以在几ins内作出反应，并产生一个适当的阻抗,把短路电流限制在

允许范围。

目前,SFCL已经有许多类型，见图1,根据结构特点可分为电阻型、桥路型、磁屏蔽型、饱

和铁心电抗器型、变压器型、三相电抗器型等，前两种不带铁心，后几种带有铁心;按照不

同的限流方式，可分为电阻型、电感型以及电阻-电感型;此外,根据是否利用超导体的失超

特性限流，又可分为失超型和不失超型。

当故障电流超过SFCL的列作电流时，失超型SFCL利用超导体从超导态到正常态阻抗急剧

变化的特性进入高阻状态并维持恒定；不失超型SFCL则利用辅助电路使阻抗随着线路电流

的周期性变化在高阻与低阻状态之间切换。在超导体由正常态恢复到超导态方面，失超型

SFCL需要较长的时间，如电阻型SFCL,其失超恢复时间最长可达10s;不失超型SFCL的超导

线圈是自动投入或退出限流状态,主要有两种类型:饱和铁心电抗器型和桥路型。饱和铁心

电抗器型SFCL在故障后的限流期间内超导线圈不会失超，具有多次自启动的能力；桥路型

SFCL能够在0.5s内从第2次故障中恢复。由此可以看出不失超型SFCL基本不存在失超恢

复问题，但其阻抗的变化特性会影响继电保护装置的正确动作和系统的安全运行。图2所

示为不失超型SECL阻抗随线路电流变化的波形,设SECL由低阻状态向高阻状态转变的临

界线路电流为动作电流I。,SECL的阻抗值ZSFCL=RSFCL巧XSFCL。

2发电机端保护电

为了能够有效降低系统短路电流水平,SFCL主要安装在以下3个位置，见图3:

1）发电机、主变压器支路，保护发电机端母线和主变压器。

2）馈电线路，限制各条馈线支路的短路电流。

3）母线联络线,用来限制2个系统母线短路电流水平，并能维持母线电压。

3合间装置运行故障

电力系统中，大多数送电线路的故障为瞬时性故障。在线路被断开以后再进行一次合间，就

有可能大大提高供电的可靠性。为此电力系统中采用了自动重合闸，即当断路器跳闸之后，

能够自动地将断路器重新合闸的装置。为了能够更好的发挥重合闸的作用，重合闸一般都

要与继电保护装置和断路器配合。根据我国一些电力系统的运行经验,重合闸的动作时限

采用1s左右的时间较为合适。图4为某系统重合闸装置工作情况,设线路L1发生永久故

障，断路器立即断开,延迟0.5s重合闸装置自动合闸，合闸不成功再次断开,延迟15s再次

合闸，合闸不成功发闭锁信号。

一些文献仿真实验表明电力系统中合理引入SFCL可以提高供电可靠性和系统的安全性与

稳定性，但是由于SFCL存在阻抗变化特性和失超恢复时间的问题，系统中不同位置安装

SFCL会对电力系统自动重合闸和继电保护装置产生不同影响。

3.1减少损耗对变压器的危害

安装在发电机支路的SFCL,能够降低发电机端发生故障时的短路电流，保护发电机端岸线；

安装在主变压器支路的SFCL能够保证在不更换断路器的条件下使用更大容量的变压器,并

能减少各种损耗对变压器的危害。

发电机的安全运行对保证电力系统的正常工作起决定性作用，同时发电机本身也是十分贵

重的电气设备。一般情况下，发电机装设有完善的继电保护装置:纵差动保护、横差动保护、

瓦斯保护、定子绕组单相接地保护、后备保护、过负荷保护以及失磁保护等。因此发电机

端装设SFCL会影响这些保护装置,应重新整定这些保护装置。但是，失超型SFCL不仅能够

短时限制机端的故障电流:而且故障后在其失超恢复过程内仍存在的高阻抗还可以起到制

动电阻的作用，提高了电力系统的暂态稳定性。

3.2传输连接线和连接线

3.2.1抗继电器整定值的确定

对于装设距离保护的馈电线路,SFC1.的失超恢复时间不会对重合闸产生影响,但其限流期间

内阻抗的变化会对保护所在处测量阻抗有影响。图5为方向阻抗继电器和自动重合闸装置

的网络接线图，图中YH为电压互感器;LH为电流互感器;ZCH为自动重合闸装置。图6为加

入SFCL前后方向阻抗继电器的动作特性。图中Zzd为整定阻抗,ZJ为测量阻抗,ZSFCL为

SFCL的限流阻抗。图6(a)示出方向阻抗继电器能够后动(即测量阻抗ZL位于特性圆内)的

条件为：

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

故障发生后,SFCL的限流阻抗ZSFCL会串入故障回路,破坏了原来线路的固有阻抗特性。图

6(b)示出，加入SFCL后,原本在特性圆内的测量阻抗ZJ可能变为圆外的测量阻抗VJ,这

将导致方向阻抗继电器检测不到圆内的故障而使得保护失灵。因此在SFCL接入系统前需

要根据其参数重新整定继电器整定阻抗Zzd的值,距离保护第I段的整定值应修改为：

Z'zd=Zzd+ZSFCLo(2)

这样串入SFCL后的测量阻抗Z'J就落在新的整定阻抗Z'zd的特性圆内，当出现故障时

继电器能够迅速正常动作而不会保护失灵。

3.2.2自动控制合同时间

SFCL的变化特性对线路电流的波形和幅度也会产生一定的影响。当电源电势一定时,三相

短路电流可表示为：

Id=EOZSo(3)

式中,E<D为系统等效相电势;ZE为保护点到系统等效电源之间的阻抗。串入SFCL后短路

电流变为：

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

当发生故障时，由于SFCL限流阻抗的影响使得短路电流减小，电流保护有可能会因为线路

电流小于其动作电流而导致保护失灵。同理,在投入使用SFCL前需要重新整定电流保护，

电流I段保护起动电流应该按照式⑷引入SFCL后短路电流I，d进行整定。当故障切除

后,重合闸装置也会受到SFCL的一些影响，分述为下：

1)若线路发生不对称故障,SFCL快速变为高阻态接入线路中，限制了短路电流的增长。但是

失超型SFCL在失超恢复期间形成的不对称高阻而引起的三相电压不平衡会使得重合间不

成功，如电阻型SFCL,需采用两套互为备用以满足自动重合闸的要求。

图7所示为系统发生单相(A相)短路故障电阻型SFCL自动投入。由于其失超恢复时间(最

长大约10s)大于自动重合闸的合闸时间，当重合闸启动时A相中仍然存在SECL的高阻抗，

这会导致三相阻抗不相等,使得系统三相电压不平衡。当三相不平衡系统中负序、零序分

量偏大，就会导致一时作用于负序、零序电流的保护和自动装置误动作，威胁电力系统的安

全运行。

2）若线路发生三相对称短路故障,失超型SFCL的恢复时间不仅不会影响成功进行重合闸，

而且这段恢复时间还有一些有利的方面。

（a）重合时由于SFCL的存在，使得系统受到永久故障的再次冲击减小,有利于系统稳定。

（b）由于SFCL的存在,重合冲击电流减小,有利于保护高压线路的绝缘。

3）对于桥路型SFCL,由于它采用了速度快的半导体功率开关和灵活的控制模式,因此可以

实现软自动重合闸。当继电保护装置发出重合闸指令时，桥路就可按控制角大于90°投入

工作，然后逐渐减小控制角，使得线路上的电流按照可控的方式缓慢上升。如果重合于永久

性故障,桥路则会重新工作于逆变状态,切断电网回路以防止系统受到再次冲击;如果宣合

闸成功,则触发全部开关管,进入稳定运行状态。

3.2.3高须封闭保护

高频保护的原理是反应被保护线路首末两端电流的差或功率方向信号，用高频载波将信号

传输到对侧加以比较而决定保护是否动作，其影响为：

1）对高频闭锁距离保护的影响。在高频闭锁距离保护中,作为停讯元件的阻抗继电器，同样

也会受到SFCL的影响,其影响与对距离保护的影响相似,因此对其整定时应在不影响动作

选择性的基础上,增大其整定值以配合SFCL的出现。

2）对高频闭锁负序方向保护的影响。高频闭锁负序方向保护可以反应于各种不对称短路，

当发生不对称故障时，SFCL的失超恢复时间同样会影响高频闭锁负序方向保护的动作速度。

4继电保护和自动重合间装置

电力系统中装设SFCL在改善系统暂态稳定性和动态稳定