電力系統(tǒng)故障限流超導(dǎo)電纜的阻抗選擇

貢梓童　李云紅　王延年　惠史科

摘要：與傳統(tǒng)交流電纜相比，高溫超導(dǎo)電纜由于具有較低的阻抗，在故障條件下會產(chǎn)生更大的故障電流，為了減小故障電流，就需要增大電纜阻抗值，故提出了一種超導(dǎo)電纜在故障條件下的系統(tǒng)阻抗選擇方法。根據(jù)超導(dǎo)電纜在電力系統(tǒng)中的運行情況，得到它在故障條件下的阻抗變化。針對超導(dǎo)電纜特性，分析了超導(dǎo)電纜對電力系統(tǒng)保護的影響。最后通過數(shù)值模擬仿真證明了提出的超導(dǎo)電纜在故障條件下的系統(tǒng)阻抗選擇方法的有效性，選擇高溫超導(dǎo)電纜的最優(yōu)阻抗值為0.1Ω。

關(guān)鍵詞：故障電流；失超；電力系統(tǒng)保護；高溫超導(dǎo)電纜；故障限流超導(dǎo)電纜

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）18-0226-04

1概述

隨著我國電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷壯大，各區(qū)域電網(wǎng)之間的聯(lián)絡(luò)日益密切，電網(wǎng)對變電、輸電、配電的要求越來越高，對電力系統(tǒng)的可靠性、電能質(zhì)量和環(huán)保節(jié)能等環(huán)節(jié)都提出了更高的要求。高溫超導(dǎo)電纜與相同尺寸常規(guī)電纜相比，輸電容量可以提高3～5倍，輸電損耗可以降低為常規(guī)電纜的10倍以上，具有傳輸容量大、損耗低、體積小、重量輕、沒有環(huán)境污染、占地面積小等優(yōu)點，使用超導(dǎo)電纜構(gòu)建輸電主干網(wǎng)絡(luò)，可以大大提高電網(wǎng)的輸電能力，同時減少電能的損失。但是由于高溫超導(dǎo)電纜的非線性特性也將帶來一系列問題。當含有高溫超導(dǎo)電纜的電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，短路沖擊電流會使高溫超導(dǎo)電纜發(fā)生失超，失超后的超導(dǎo)電纜電阻會發(fā)生非線性變化，改變線路的電氣參數(shù)，這種情況會影響現(xiàn)有的繼電保護設(shè)備，最嚴重的會造成保護設(shè)備誤動，危害電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

故障限流高溫超導(dǎo)電纜配置有故障電流限制器。在額定工作狀態(tài)下，故障電流限制器中的超導(dǎo)偏置線圈會產(chǎn)生一個直流磁化場，使鐵芯處于深度飽和狀態(tài)，系統(tǒng)正常運行時限制線圈近似等效于空心電感，表現(xiàn)出很小的阻抗；當系統(tǒng)出現(xiàn)故障（發(fā)生短路）時，短路電流使鐵芯退出磁飽和狀態(tài)，這時的常規(guī)限制線圈等價于一個帶鐵芯的電抗器，阻抗很高，從而可以限制短路電流。由于故障電流限制器會改變故障電流大小，進而對系統(tǒng)保護中的過電流繼電器產(chǎn)生負面影響——過電流繼電器具有反時限特性，可能造成備用繼電器比主繼電器先動作的情況。因此，需要為故障限流高溫超導(dǎo)電纜選擇合適的阻抗，使其即能有效限制故障電流，又不會影響a.分析高溫超導(dǎo)電纜對系統(tǒng)保護的影響。b.最佳阻抗的選擇。在a階段，分析故障電流對繼電器動作時間的影響。在b階段，通過數(shù)據(jù)分析結(jié)果來確定故障限流高溫超導(dǎo)電纜的最佳阻抗。

2高溫超導(dǎo)電纜的系統(tǒng)保護

高溫超導(dǎo)電纜具有大容量輸電能力，在發(fā)生故障時電纜阻抗較低。而較低的阻抗會導(dǎo)致過大的故障電流，這會引發(fā)電力系統(tǒng)繼電保護問題。

2.1電力系統(tǒng)中的高溫超導(dǎo)電纜

常規(guī)的高溫超導(dǎo)電纜由高溫超導(dǎo)帶材和穩(wěn)定器組成。高溫超導(dǎo)帶材是電能的載體，它是高溫超導(dǎo)電纜能夠大容量傳輸電能的關(guān)鍵。當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，高溫超導(dǎo)電纜會因為沖擊電流作用而發(fā)生失超，阻抗發(fā)生非線性變化，溫度上升到臨界值，就會導(dǎo)致高溫超導(dǎo)電纜的輸電性能下降。為了避免高溫超導(dǎo)電纜輸電性能下降，可在電纜中加入低阻抗的穩(wěn)定器作為故障電流流通的路徑，通過分流減少高溫超導(dǎo)電纜的發(fā)熱，保護超導(dǎo)電纜不被燒壞，同時將十分有利于高溫超導(dǎo)電纜從失超態(tài)恢復(fù)到超導(dǎo)態(tài)。但穩(wěn)定器的阻抗太低，仍無法限制高溫超導(dǎo)電纜中的故障電流值。

為了限制高溫超導(dǎo)電纜中的故障電流大小，就需要使電纜具有故障限流能力。如今，可通過以下兩種方法使高溫超導(dǎo)電纜具有故障電流限制能力：（1）通過改進常規(guī)的高溫超導(dǎo)電纜，使電纜在故障條件下具有較高的阻抗。（2）設(shè)計出用于故障電流流通的附加路徑（一般為銅絞線），附加路徑與超導(dǎo)電纜并聯(lián)，發(fā)生故障時起到分流的作用。通過方法（1）獲得的故障限流高溫超導(dǎo)電纜，阻抗的增加會受到電纜容許溫度的限制，增幅有限。但由方法（2）得到的故障限流高溫超導(dǎo)電纜，阻抗增加不會受到溫度的限制，在故障發(fā)生時，穩(wěn)定性更高。但需要增添其他設(shè)備，比如快速開關(guān)、普通的電纜等，其結(jié)構(gòu)如圖1所示：

綜上所述，建立通過方法（2）設(shè)計出的高溫超導(dǎo)電纜模型來分析電纜對系統(tǒng)保護的影響。endprint