超导限流器与电力系统继电保护配合问题研究

摘 要 随着我国经济的快速发展，工业发展用电和人们的生活用电需求不断增加，这也造成了电网短路电流水平和电网短路容量不断增长。短路电流会对电气设备的安全运行产生直接的影响，因此，限流器成为解决这一问题的有效方法。其中，超导限流器以其相应快、损耗小的特点，成为最具有潜力的限流器设备。文章主要对超导限流器和电力系统继电保护的配合问题进行了研究，从实际情况出发提出了解决问题的新思路。

关键词 超导限流器；电力系统；继电保护；配合

中图分类号：TM712 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）13-0029-02

随着我国经济的快速发展，工业发展用电和人们的生活用电需求不断增加，我国的电网容量不断增长，这在很大程度上增大了故障电流的水平。电力系统中的电网短路故障会对电气设备的运行安全造成直接的威胁，严重影响到电力系统的供电可靠性和稳定性。传统处理措施都存在这一定的缺陷，因此，相关专家提出了以超导技术为基础的限流器技术。电力系统中超导限流器的应用要以超导限流器与电力系统继电保护的配合为前提。本文正是针对这个问题，对超导限流器和电力系统继电保护的配合问题进行了研究。

1 超导限流器简介

超导限流器主要是基于超导体正常态和超导态的转变这一物理特性，以及其他辅助部件的配合，使得线路出现故障以后产生一个阻抗来达到限流作用。一旦故障线路开断或者消除故障后，超导限流器就会自动复位。超导限流器主要包括如下几个特点：①在正常情况下。超导限流器只呈现一个较小的阻抗或零阻抗，因而能够通过较大的电流。只有在发生短路故障的情况下才会呈现大阻抗的状态；②超导限流器能够自动触发，故障消除后还能够自动复位，另外，还具有触发、限流和检测的功能；③超导限流器的反应速度很快，能够达到毫秒级。

由于超导限流器集触发、限流和检测功能于一身，是一种理想的故障限流装置，能够保障电力系统的安全稳定运行。目前超导限流器已经得到了广泛的发展。

2 超导限流器与电力系统继电保护的有效配合

电力系统的继电保护主要是指通过对电力系统中的故障状态进行反应，并向断路器发送信号进行跳闸操作。超导限流器能够通过辅助电路变换不同的阻抗状态，进而对继电保护装置产生作用。这里，我们主要从如下两个方面对超导限流器与电力系统继电保护的配合问题进行探讨。

图1 方向阻抗继电器的动作圆

1）超导限流器与距离保护的配合。

①应用超导限流器后对距离保护造成的影响。根据方向阻抗继电器（如图1）的基本特性可以知道，圆内、外分别表示动作区和非动作区。

发生故障的时候，超导限流器的直流侧由于R与L的投入，阻抗值可能会超过动作圆的最大范围，从而导致出现距离保护拒动的情况。因此，加入超导限流器后会在一定程度上降低保护灵敏度。

②解决方案。为了消除限流器对距离保护造成的影响，本文主要针对相间短路和对地短路故障，对距离保护的解决方案进行说明：根据实际情况分析，在稳态情况下限流器两端的电压不可能为零，因此可以设定一个门限值Uth。通过比较限流器两端的电压U与Uth就可以完成对超导限流器的状态判断；如果U>Uth，那么限流器电阻和电感就会被串入到线路中，然后再根据相间故障和对地故障对阻抗值进行计算。

由于超导限流器的阻抗时变性特点，需要首先分析限流器阻抗的特性，然后分析对继电保护的影响，这个过程非常复杂，而且和实际情况下的继保实现方式不符。因此，要把限流器的瞬态参数添加到继电保护器的电力模型中，然后通过对算法中的参数和计算方式进行修正，就能够有效消除限流器对距离保护造成的不良影响。另外，该过程对硬件装置的改动不大，只需要进行软件上的修改，因此实现起来非常方便，简单易行。

2）超导限流器与零序保护的配合。

①应用超导限流器后对零序保护造成的影响。电力系统出现接地短路后，可以使用对称分量法把电压和电流分解成零序、正序和负序分量，它们的关系可以使用复合序网表示。而对于零序电流和电压的方向，一般将母线流向设为电流正向，将线路上大于地面的电压设为电压正向。

通过分析可知，加入超导限流器后，会对原来的电力系统中的零序网络产生一定的影响，即故障期间限流电感和限流电阻都会周期性的投入。而各个超导限流器相互之间也无互感，导致限流器零序阻抗和正序相同。

限流电阻和电感的投入都会在一定程度上降低测量零序电压和电流，从而显著缩短零序电流的保护范围和保护灵敏度，甚至发生故障后继电器出现拒动的现象。

②解决方法。解决超导限流器和零序保护的思路主要是对保护算法进行改进，以消除限流器造成的影响，使加入限流器后的效果和不存在限流器时相同。

在零序保护过程中，主要通过算法的改进保证零序电流不发生变化。处理方式如下。

假设故障点零序电压用u表示，没有加入限流器的零序电流用i1表示，而加入限流器后的零序电流用i表示，这样就可以得到：

（1）

（2）

上式相减可以得到：

（3）

其中，id表示加入和未加限流器时的零序电流差值，通过对（1）式求解可以求得id，进而还原出不存在限流器时的零序电流i1。

上述算法在计算时需要将测得的零序电流恢复到不存在限流器时的值，因此计算过程相对复杂，无法满足继电保护的动作即时性要求。对于这个问题，我们根据零序保护的基本特点，采用分段保护的方式来恢复零序电压，这样能够有效消除限流器的影响。通过实际仿真发现，该方法能够保证保护范围内的继电保护动作的及时性和有效性，同时处理过程比较简单，实现起来也非常方便。

3 结论

电力系统中的短路故障会对电气设备的正常运行造成很大的危害，设置导致电网系统的崩溃。因此，加强对超导限流技术的研究，对保证电力系统的安全稳定运行具有积极的意义。其中，最主要的研究方向就是超导限流装置和电力系统继电保护的协调运行问题，研究内容则分布在超导限流器与电力系统继电保护的相互作用和影响方面。本文针对上述内容进行了一些有针对性的讨论，希望能够对未来超导限流器的发展提供一定的帮助。

参考文献

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