10kV电阻型高温超导限流器在电网中的应用

【摘 要】 高温超导限流器，是利用超导特性原理制成的短路电流限制器。电阻型的超导限流器，具有结构简单、限流效果明显、限流速度快等特点。本文介绍了超导限流器，分析了电阻型的超导限流器的结构原理及工作特性。利用仿真实验验证了该电阻型高温超导限流器限流效果明显且基本能与重合闸配合协作。

【关键词】 高温超导限流器 电阻型 限流效果

近年来，负荷需求量与日俱增，使得电力电源不断新建扩容、负荷不断密集，这些给国内电网带来了短路电流超标的困扰。电网短路电流的超标不同程度上影响着电网的安全稳定运行。超导限流器（SFCL）串接在线路上，线路正常运行时，它的阻抗趋近于零，电网故障发生时，超导限流器的阻抗瞬间增大，限制短路电流在预设范围内，当电网恢复正常，它能很快恢复零阻抗状态。超导限流器是限制短路电流的有效手段。

1 高温超导限流器（SFCL）的原理、分类和特性

1.1 高温超导限流器（SFCL）的原理

高温超导限流器（SFCL）是一种用来限制故障短路电流的电力设备。利用的是超导体的超导状态与正常状态转变的特性。如图1所示，Ic是组成SFCL的超导材料的临界电流，流经的电流大于Ic，超导材料失超、呈大阻抗，流经的电流小于Ic时超导材料保持超导状态，阻值近似为零。

高温超导限流器的原理，可以简述为，SFCL接入电力系统，当电网正常时，流经SFCL的是正常的潮流，SFCL工作在阻值近似零的超导状态，当短路故障发生时，流经SFCL的电流大于超导失超临界电流使得SFCL失超，迅速呈现高阻值，从而限制掉短路电流，当系统恢复正常时（即流经SFCL的电流小于失超临界电流），SFCL能自动恢复超导状态。

1.2 高温超导限流器（SFCL）的分类

按照超导的两个状态，可以将SFCL分类为失超型与非失超型。其中，非失超型的以饱和铁芯电抗器型SFCL应用较多。按照超导的零电阻与零磁感应强度特性，可以将失超型的SFCL分类为零电阻特性型和迈斯纳效应型两类。按照对电力系统阻抗分布的影响，可以将SFCL简单分类为电阻型SFCL和电抗型SFCL。按照结构特点的不同，SFCL可分为变压器型、三相电抗器型、磁通锁型、电阻型、磁屏蔽型、电抗型和桥路型等。

1.3 高温超导限流器（SFCL）的性能简介

通常是以系统正常运行（SFCL超导状态）与系统短路故障（SFCL非超导状态）两种情况来分述的。关键在于，SFCL从“超导状态”转变为“非超导状态”再恢复为“超导状态”，这三个过程。转变的速度可以分两部分，一个是失超的速度，另一个是失超恢复的响应速度；转变的触发条件，是指促使SFCL失超的动作电流；能耗，是指SFCL正常运行时所需消耗的电能。所以SFCL的主要性能应从失超时间、失超恢复时间、动作电流、运行损耗几个方面进行分析研究。

2 10kV电阻型SFCL的简介

电阻型的高温超导限流器，是属于失超型的SFCL，它无铁芯，利用的超导特性原理是零电阻特性。所以，它显现出来的特点是结构简单，限流效果明显，质量轻且体积小。

2.1 10kV电阻型SFCL的组成结构

电阻型SFCL的基本等值电路图，见图2。

Rsc为超导线圈电阻值，Rp为分流线圈的电阻值。其中Rsc根据电阻型SFCL在电网正常时呈超导零阻值，电网故障时呈现预先设定的高阻值这一特点，将Rsc看成两个电阻，即超导态时的电阻Rs和常温态的电阻Rc。故将电阻型SFCL的等值电路图调整至图3所示。Rsc=Rs//Rc（两者并联）。

10kV电阻型SFCL的结构组成，见图4，由两部分组成，超导电阻和分流电阻。其中，超导电阻由若干根超导带材串联形成一条一定长度的超导带材，若干条这样的超导带材再并联形成。

2.2 10kV电阻型SFCL的主要参数

电阻型SFCL主要的参数见表1。将电阻型SFCL应用于电力系统，表中需要确定的参数有n、L、Rc、RS，其中，常温电阻，超导电阻Rsc=Rs//Rc。

SFCL接入电网运行后，两个性能十分要紧，一个是SFCL的限流比D%，另一个是继电保护的灵敏度KLM。SFCL应用于电网，其参数的选取，须要考虑以下几个方面的问题：（1）电网对于限流的要求，要求SFCL限制掉多少短路电流；（2）SFCL与继电保护、重合闸的配合协作；（3）SFCL接入以后，继电保护的灵敏度是否受影响；（4）线路输送容量。

除此还要根据电网实际情况，确定SFCL参数与保护配合的方案。

2.3 各电压L在电网内可行的接入点

高温超导限流器引入电力系统，主要目的是通过它来限制电网故障时的短路电流、防止故障时残压过分跌落。SFCL的接入点应该结合电力系统的特点，以电力系统的需求出发，进行综合考虑。普遍被认可的接入点可分为三个：（1）电源端：如发电机—变压器支路，保护发电机机端母线和主变压器。可以减小变压器因大短路电流流过而引起的发热。变压器容量变大时（一般，较大容量的变压器，其短路电压相对较小），避免更换更大遮断容量的开关。（2）母线分段、母联开关：一方面可以防止母线电压过分跌落，另一方面可以限制两个系统母线短路容量。（3）馈供线路：减轻短路电流对线路电缆、对供电用户的伤害，下节即仿真了10千伏电阻型SFCL在电网馈线上的应用。

3 10kV电阻型SFCL在电网馈线上应用的仿真

3.1 仿真电路的建立

35kV陈东变电站，35kV部分为线路变压器组接线，10kV单母线分段接线，10kV系统为不接地系统。正常运行方式下，10kV分段开关断开，10kV由两台主变分送。

10kV电阻型超导限流器接入陈1新城甲时一次接线应做如图调整，见图5。

仿真电路图见图6，图中：

（1）正常运行方式下，10kV母线分列运行，故图中10kV分段开关保持断开。

（2）从左及右，各10kV出线分别是陈1新城甲线、陈2大学甲线、陈4奚东线、陈6营业线。各线路额定最大负荷已标示在图中。

（3）仿真时合上等效电源开关，接入等效电源，并且将1号主变10kV开关断开，以减少不必要的干扰。

（4）等效电源的设置：将系统归算至10kV母线的等值阻抗，换算至短路电流，则10kV一母母线出口处故障，有：①三相短路、大方式：短路注入电流有效值为8522安培（峰值12070安培），电压源的内阻值设置为0.7欧姆、10.5kV。②两相短路、小方式：短路注入电流有效值为6601安培（峰值为9400安培），电压源内阻设为0.87欧姆、10.5kV。③两相接地、大方式：短路注入电流有效值为7500安培（峰值为10607安培），电压源内阻设置为0.8欧姆、10.5kV。

（5）陈1新城甲过流一段定值为4000安培（有效值），相当于峰值电流5657安培，动作时间为0.3秒。过流二段的保护定值为480安培（有效值），对应于峰值电流为679安培，动作时间为0.6秒。仿真中，仿真出的短路电流的峰值大于线路保护整定值（峰值）时，保护动作。

（6）SFCL参数配置：陈1新城甲线最大额定电流（I额定电流）为50.41安培，SFCL的动作电流IC.SFCL取2倍的I额定电流，即200安培。选用临界电流为200安培的超导限流带材单元并联，则一根带材即可，带材长度选150米。

3.2 仿真结果及其分析

3.2.1 SFCL的限流效果仿真

SFCL的分流电阻Rp任取（为0.7欧姆），各类型短路故障下的仿真结果如图7。其中：

三相短路时（图a），SFCL限流后的短路电流为I2=6.34kA（峰值），而未装SFCL时的短路电流I1=12.07kA（峰值），则限流比为47.47%；

AB两相短路时（图b），SFCL限流后的短路电流为I2=6.72kA（峰值），而未装SFCL时的短路电流I1=9.4kA（峰值），则限流比为28.51%；

AB两相接地短路时（图c），SFCL限流后的短路电流为I2=5.92kA（峰值），而未装SFCL时的短路电流I1=10.607kA（峰值），则限流比为44.05%

可见，陈1新城甲加装SFCL以后，对于各类短路故障，均能限流，且限流效果明显，最明显的是对于三相短路故障的限流。

3.2.2 失超恢复时间对重合闸的影响

图8是仿真三相短路时，重合闸退出、重合闸投入、重合带载恢复这三种情况下，电压和温度恢复曲线。

根据同一时间下电压和温度恢复的曲线图，可以看出：不带负载时且重合闸不投时，从故障发生开始0.3秒保护动作，重合闸未投，约0.84秒之后，SFCL的温度恢复正常，说明失超恢复时间约为0.84秒；重合闸投入，重合闸时间为1秒，大于0.84秒，重合闸时间能躲过了失超恢复时间，重合成功；带载恢复时电压和温度曲线均显示SFCL的恢复时间1.05秒，大于重合闸时间。

所以，陈1新城甲线带载情况下，失超恢复时间几乎为1秒，为可靠起见，将原有重合闸时间定值稍做调整，比如从1秒调整至1.3秒。这样，对于线路瞬时故障，保护跳开后重合闸经整定延时能合闸成功。对于永久性故障，保护动作、重合闸经延时合闸后，后加速能正确动作加速相应过流段保护。

4 结语

本文介绍了超导限流器，分析了电阻型的超导限流器的结构原理及工作特性并模拟10kV电阻型SFCL接入电网馈线，运用仿真软进行了系统建模和仿真。通过对仿真结果的分析，得出电阻型高温超导限流器限流效果明显且基本能与重合闸配合协作。