基于電阻型超導(dǎo)限流器的直流線路縱聯(lián)保護(hù)方法

肖磊石，盛超，駱潘鈿，王常騏，楊嵩

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；2.天津大學(xué)，天津 300072)

柔性直流(以下簡(jiǎn)稱“柔直”)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)大電網(wǎng)柔性互聯(lián)、大規(guī)模新能源接入等方面發(fā)揮著重要作用[1-3]。然而，大容量高壓直流換流器的元件性能與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使其不具備抵抗短路沖擊的能力，直流故障電流無(wú)自然過(guò)零點(diǎn)等特殊問(wèn)題又加劇了快速故障斷流的難度，這些關(guān)鍵問(wèn)題成為制約直流系統(tǒng)發(fā)展的重要技術(shù)瓶頸。

超導(dǎo)直流限流器(superconducting fault current limiter，SFCL)以具有正常輸電呈現(xiàn)低阻抗、故障限流高阻抗、故障響應(yīng)速度快等獨(dú)特、優(yōu)越的性能，將在直流系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用中發(fā)揮重大作用[4-7]。目前的超導(dǎo)交流限流器發(fā)展較為成熟[8-11]，相關(guān)研究工作主要集中在實(shí)驗(yàn)室原理小型樣機(jī)的層面[12-16]。中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱“南網(wǎng)”)于2017年提出并制造的±160 kV/1 kA電阻型超導(dǎo)直流限流器(resistance superconducting fault current limiter，R-SFCL)，是目前國(guó)內(nèi)最早的工程樣機(jī)，擬于2020年在廣東南澳掛網(wǎng)示范運(yùn)行[17-18]。該裝置在實(shí)際柔直輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，有望為限流裝置在電網(wǎng)的推廣應(yīng)用打下良好的技術(shù)儲(chǔ)備，對(duì)提升柔直輸電系統(tǒng)的故障清除能力具有重要意義。

另一方面，直流斷路器作為一種快速可靠的直流故障隔離設(shè)備，其開(kāi)斷能力也受到短路電流水平的考驗(yàn)[19]。利用超導(dǎo)直流限流器來(lái)限制直流短路電流的幅值，是降低配套斷路器的開(kāi)斷容量、提高直流電力系統(tǒng)運(yùn)行安全、實(shí)現(xiàn)故障快速隔離的重要手段之一。直流斷路器(DC circuit breaker，DCCB)通常與超導(dǎo)直流限流器以串聯(lián)的方式安裝在直流線路兩端，且二者需要與直流系統(tǒng)保護(hù)時(shí)序進(jìn)行邏輯配合，才能夠真正實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的可靠隔離[20]。

基于電阻型超導(dǎo)限流器的方向縱聯(lián)保護(hù)原理與基于線路電流量的保護(hù)類似，但其與電流保護(hù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①基于限流器電壓的方向縱聯(lián)保護(hù)所得的電壓參數(shù)可以直接用于電壓不平衡保護(hù)，保護(hù)單極接地故障。電阻型超導(dǎo)限流器本身配置有電壓檢測(cè)裝置，通過(guò)將限流器兩出線端口的對(duì)地電壓值作差的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓參數(shù)的獲取；因此，利用電阻型超導(dǎo)限流器換流站一側(cè)的對(duì)地電壓測(cè)量裝置，可以直接為直流電壓不平衡保護(hù)提供測(cè)量信號(hào)，減少設(shè)備的重復(fù)投資。②相對(duì)電流保護(hù)，方向縱聯(lián)保護(hù)無(wú)需昂貴且可靠性低的高壓直流電流測(cè)量設(shè)備。目前在高壓直流系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的直流電壓互感器(current transformer，CT)基于阻容分壓原理，技術(shù)相對(duì)成熟，可靠性和準(zhǔn)確性較高；另一方面，國(guó)內(nèi)外直流輸電系統(tǒng)中采用較多的直流電流測(cè)量裝置為有源式直流互感器，該類型互感器串接于直流線路中，消耗功率較大，短路故障時(shí)有燒毀的風(fēng)險(xiǎn)，器件壽命較短，可靠性較低，價(jià)格昂貴且運(yùn)行維護(hù)成本隨著設(shè)備運(yùn)行年限的增加而直線增加。

鑒于此，本文結(jié)合南澳三端柔直示范工程保護(hù)方案配置的實(shí)際需求，提出一種基于直流斷路器和超導(dǎo)電阻型限流器的柔直系統(tǒng)故障保護(hù)技術(shù)方案。該方案利用電阻型超導(dǎo)限流器本身配置的電壓監(jiān)測(cè)設(shè)備，無(wú)需額外裝設(shè)相應(yīng)的保護(hù)測(cè)量裝置，經(jīng)濟(jì)性和可靠性均優(yōu)于基于電流量測(cè)量的電流保護(hù)。通過(guò)電阻型超導(dǎo)直流限流器在限流狀態(tài)下檢測(cè)到限流器兩端電壓的正負(fù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)內(nèi)外故障的有效判別和準(zhǔn)確隔離。

1 南澳柔直系統(tǒng)

1.1 南澳示范工程

±160 kV南澳多端柔直示范工程是由南網(wǎng)于2013年底建成并投運(yùn)的世界首個(gè)多端柔直工程。該工程包括塑城(受端)、金牛(送端)和青澳(送端)3個(gè)換流站，遠(yuǎn)期將擴(kuò)建塔嶼換流站(送端)，變成四端柔直工程。已建成的塑城、金牛和青澳換流站設(shè)計(jì)容量分別為200 MW、100 MW和50 MW，采用基于半橋型子模塊級(jí)聯(lián)型多電平換流器，塑城換流站到金牛換流站的輸電線路包括24.1 km電纜和8.1 km架空線，青澳換流站到金牛換流站的輸電線路為12.5 km架空線。每條直流線路兩端裝設(shè)直流斷路器和超導(dǎo)直流限流器后，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，F(xiàn)1和F2為故障點(diǎn)。該示范工程的主要作用是將南澳島上分散的間歇性清潔風(fēng)電通過(guò)青澳換流站和金牛換流站接入并通過(guò)塑城換流站輸出，系統(tǒng)的其他參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 南澳柔直工程示意圖Fig.1 Structure of Nan’ao flexible DC system

表1 南澳多端柔直系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters of Nan’ao flexible DC system

目前，直流故障的隔離方式主要有3種，分別依靠交流斷路器隔離、換流站閉鎖隔離以及直流斷路器隔離的方式實(shí)現(xiàn)。直流系統(tǒng)故障的發(fā)生過(guò)程極快，電流從額定值到達(dá)故障電流峰值的時(shí)間只需數(shù)毫秒[1]，常規(guī)的交流斷路器無(wú)法滿足動(dòng)作速度要求。而通過(guò)換流站閉鎖方式清除故障的方法，雖然動(dòng)作速度很快，但會(huì)造成短時(shí)全網(wǎng)失電，對(duì)交流側(cè)產(chǎn)生沖擊，影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

對(duì)于安裝有直流斷路器的柔直系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如果故障發(fā)生后先由直流斷路器跳開(kāi)故障線路，換流器閉鎖僅作為直流斷路器保護(hù)的后備保護(hù)，那么直流系統(tǒng)不會(huì)停運(yùn)，對(duì)交流側(cè)的沖擊也會(huì)大大減小。現(xiàn)有的直流斷路器開(kāi)斷速度通常需要在故障發(fā)生后數(shù)毫秒之內(nèi)開(kāi)斷直流側(cè)故障。按照現(xiàn)有的柔直輸電工程保護(hù)整定原則，當(dāng)橋臂電流超過(guò)額定電流的2倍時(shí)將觸發(fā)換流器閉鎖。為防止換流器閉鎖，必須通過(guò)直流限流器輔助直流斷路器開(kāi)斷。因此，考慮直流限流器與直流斷路器之間的時(shí)序配合，是可靠實(shí)現(xiàn)故障隔離的重要環(huán)節(jié)。對(duì)于多端柔直系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，故障發(fā)生后，若判斷為區(qū)內(nèi)故障，準(zhǔn)確跳開(kāi)相應(yīng)線路兩端直流斷路器是保障系統(tǒng)可靠故障穿越的重要條件。

1.2 電阻型超導(dǎo)直流限流器

圖2為電阻型超導(dǎo)限流器的基本結(jié)構(gòu)，由超導(dǎo)模塊R-SFCL和分流保護(hù)電阻構(gòu)成。其主要原理是利用超導(dǎo)體從超導(dǎo)態(tài)向正常態(tài)快速轉(zhuǎn)變時(shí)失超體現(xiàn)出的限流電阻來(lái)限制電力系統(tǒng)的故障電流，即：正常運(yùn)行時(shí)無(wú)電阻，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生影響；故障限流時(shí)高電阻，體現(xiàn)對(duì)故障電流的限制。電阻型超導(dǎo)限流器通常由無(wú)感繞制的超導(dǎo)線圈(或線圈組)組成，具有自動(dòng)檢測(cè)故障、結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)迅速、原理簡(jiǎn)單及實(shí)現(xiàn)容易等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 電阻型超導(dǎo)限流器基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Basic structure of DC R-SFCL

需要指出的是：超導(dǎo)獨(dú)特的失超特性導(dǎo)致其僅在故障發(fā)生時(shí)產(chǎn)生限流電阻，因此依賴檢測(cè)兩端電流大小和方向的傳統(tǒng)的電流差動(dòng)保護(hù)并不完全適用。為此，提出一種計(jì)及R-SFCL的直流限流縱聯(lián)保護(hù)新方法，以解決檢測(cè)和清除直流故障的問(wèn)題。

2 縱聯(lián)保護(hù)原理

多端柔直系統(tǒng)故障時(shí)，要求能夠準(zhǔn)確識(shí)別故障位置、快速切除故障線路，即必須采取有效的技術(shù)方案對(duì)直流故障線路進(jìn)行保護(hù)[21]。故障限流器和直流斷路器在多端柔直系統(tǒng)中的安裝位置如圖1所示。電阻型超導(dǎo)限流器在發(fā)生故障后的響應(yīng)時(shí)間很快，通?？梢栽?～3 ms內(nèi)失超，呈現(xiàn)出限流電阻。為了監(jiān)測(cè)電阻型超導(dǎo)限流器的運(yùn)行狀態(tài)，其內(nèi)部裝設(shè)有電壓檢測(cè)設(shè)備，用于監(jiān)測(cè)其是否失超。利用電阻型超導(dǎo)限流器本身的故障電壓監(jiān)測(cè)設(shè)備給保護(hù)裝置提供輸入信號(hào)，可以有效實(shí)現(xiàn)直流線路保護(hù)。本文提出一種基于直流斷路器和電阻型超導(dǎo)限流器的直流保護(hù)方案，其整體邏輯如圖3所示，圖中USFCL為電阻型超導(dǎo)限流器電壓。

圖3 基于電阻型超導(dǎo)限流器的方向縱聯(lián)保護(hù)方案邏輯框圖Fig.3 Flow chart of directional pilot protection of DC line based on R-SFCL

首先，通過(guò)電阻型超導(dǎo)限流器自身的電壓監(jiān)測(cè)設(shè)備檢測(cè)限流器兩端的電壓大小和方向，以換流站指向線路為電壓的正方向。若在電阻型超導(dǎo)限流器兩端檢測(cè)到故障電壓幅值上升沿，則判斷有故障發(fā)生，判斷標(biāo)準(zhǔn)為：|Ufault|>2Uerr，其中，|Ufault|為電阻型超導(dǎo)限流器兩端的故障電壓值，Uerr為電壓互感器的測(cè)量誤差。

然后，根據(jù)線路兩端的兩臺(tái)超導(dǎo)限流器故障電壓的正負(fù)方向判斷區(qū)內(nèi)外故障。

當(dāng)本端超導(dǎo)限流器兩端的故障電壓檢測(cè)為正，則啟動(dòng)直流斷路器，直流斷路器開(kāi)始動(dòng)作切除故障。此時(shí)分為2種情況，在直流斷路器切除故障的過(guò)程中：若收到對(duì)端發(fā)來(lái)的閉鎖信號(hào)，則判定此故障是區(qū)外故障，停止開(kāi)斷線路，并重新給混合式直流斷路器的換流支路上的絕緣柵門極晶體管(insulated gate bipolar translator，IGBT)發(fā)導(dǎo)通信號(hào)；同時(shí)，給通流支路上的快速機(jī)械開(kāi)關(guān)和輔助換流開(kāi)關(guān)發(fā)導(dǎo)通信號(hào)，待通流支路完全導(dǎo)通后，再切斷直流斷路器的換流支路。若未收到對(duì)端發(fā)來(lái)的閉鎖信號(hào)，則判定此故障是區(qū)內(nèi)故障，繼續(xù)開(kāi)斷線路，直至故障清除。

當(dāng)本端超導(dǎo)限流器兩端的故障電壓檢測(cè)為負(fù)，則直接判定此故障為區(qū)外故障，直流斷路器不動(dòng)作。同時(shí)，向?qū)Χ说幕旌鲜街绷鲾嗦菲靼l(fā)送閉鎖信號(hào)，防止對(duì)端的直流斷路器動(dòng)作。

上述區(qū)內(nèi)故障情況下的保護(hù)時(shí)序如圖4所示(對(duì)于區(qū)內(nèi)故障兩超導(dǎo)限流器的動(dòng)作邏輯一致，在此僅以一端超導(dǎo)限流器為例)。上述區(qū)外故障情況下兩端的2臺(tái)超導(dǎo)限流器的保護(hù)時(shí)序，分別如圖5(a)和圖5(b)所示。圖中，t為時(shí)間，Δt1等為每項(xiàng)保護(hù)操作之間的時(shí)間間隔。

圖4 發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)直流線路兩端控制保護(hù)時(shí)序Fig.4 Control protection time sequence at both ends of DC line under an internal fault

圖5 發(fā)生區(qū)外故障時(shí)直流線路兩端控制保護(hù)時(shí)序Fig.5 Control protection time sequence at both ends of DC line under an external fault

待故障清除后，正常線路上的電阻型超導(dǎo)限流器進(jìn)入失超恢復(fù)狀態(tài)，同時(shí)保護(hù)元件重新進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，為下一次故障檢測(cè)做好準(zhǔn)備。

電阻型直流超導(dǎo)限流器的失超電阻值主要受到工作溫度和電流水平的影響，呈現(xiàn)非線性變化，失超后恢復(fù)至正常態(tài)需要一定的時(shí)間；因此，其保護(hù)判據(jù)有必要考慮其二次失超的因素。在故障清除后的限流器失超恢復(fù)過(guò)程中，若線路中再次發(fā)生雙極短路故障，原本已經(jīng)下降的超導(dǎo)限流器故障電壓幅值也會(huì)由于新的故障電流的出現(xiàn)而再次上升。若要在該階段內(nèi)使保護(hù)正常工作，需要在第1次保護(hù)動(dòng)作后,重新設(shè)定保護(hù)啟動(dòng)元件的動(dòng)作條件。保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)改為：若在電阻型超導(dǎo)直流限流器兩端檢測(cè)到故障電壓的幅值上升，則判斷又有故障發(fā)生，判斷標(biāo)準(zhǔn)為：|Ufault2|-|Ufault1|>4Uerr，其中，|Ufault2|和|Ufault1|為2次電阻型超導(dǎo)限流器兩端的故障電壓采樣值，|Ufault2|的測(cè)量時(shí)刻晚于|Ufault1|的測(cè)量時(shí)刻(t≈1 ms)。其他保護(hù)動(dòng)作過(guò)程同圖4和圖5中所述內(nèi)容，待電阻型超導(dǎo)限流器恢復(fù)超導(dǎo)態(tài)后，保護(hù)的狀態(tài)也恢復(fù)到圖3中的動(dòng)作邏輯。

另一方面，由于電阻型超導(dǎo)限流器是基于對(duì)端的閉鎖信號(hào)來(lái)識(shí)別區(qū)外故障，該保護(hù)方案對(duì)于直流線路的長(zhǎng)度有一定的要求。以安裝混合式直流斷路器為假設(shè)條件，其開(kāi)斷時(shí)間可以達(dá)到3 ms左右。因此，若要防止混合式直流斷路器因區(qū)外故障誤動(dòng)作，閉鎖信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間TCB需要小于3 ms?？紤]到信號(hào)輸入和處理過(guò)程的延時(shí)和工程實(shí)現(xiàn)成本等因素，取光纖通信傳輸速率vs為100 km/ms[15]，則可以得到本保護(hù)方案能夠適用線路的最大長(zhǎng)度為lmax=TCB×vs=300 km。

3 案例簡(jiǎn)析

在PSCAD軟件中搭建如圖6所示的四端偽雙極柔直系統(tǒng)。其中，在4個(gè)換流站中，換流站1采用定直流電壓和定無(wú)功功率控制，其余換流站采用定有功功率和定無(wú)功控制；直流斷路器采用混合式直流斷路器，容量與換流站容量相匹配。此外，為簡(jiǎn)化分析直流線路采用集中參數(shù)模型，詳細(xì)仿真系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖6 四端柔性直流系統(tǒng)拓?fù)銯ig.6 Four-terminal flexible DC system topology

表2 基于MMC的四端柔性直流系統(tǒng)的仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters of MMC-based HVDC system

圖6中，以線路1的保護(hù)為例，以換流站指向線路為電壓的正方向。當(dāng)故障發(fā)生在F1和F2處時(shí)，電阻型超導(dǎo)限流器兩端的故障電壓大小和方向見(jiàn)表3。

表3 超導(dǎo)限流器故障電壓和故障類型關(guān)系Tab.3 Relationship between R-SFCL voltage and fault locations

于是，按照本文中的保護(hù)原理配置保護(hù)元件，設(shè)置t0=1.0 s時(shí)發(fā)生雙極短路故障，故障位置分別在F1處和F2處，仿真并記錄故障情況直流線路1上的電流I的波形，如圖7和圖8所示。

圖7 F2處發(fā)生雙極短路故障時(shí)線路1中的電流波形Fig.7 Current waveform in line 1 when a bipolar short circuit fault occurs at F2

由圖7可知：當(dāng)F2在t0時(shí)刻發(fā)生雙極短路故障時(shí)，對(duì)于線路1來(lái)說(shuō)，故障F2屬于區(qū)外故障，超導(dǎo)限流器將于t1時(shí)刻產(chǎn)生故障電壓上升沿，線路1上SFCL1兩端為正向故障電壓，故直流斷路器DCCB1立即動(dòng)作；而在t2時(shí)刻，DCCB1接收到對(duì)端故障檢測(cè)邏輯元件發(fā)來(lái)的閉鎖信號(hào)，直流斷路器的開(kāi)斷過(guò)程也隨之中止，隨后直流斷路器的換流支路開(kāi)始重新導(dǎo)通，由于快速機(jī)械開(kāi)關(guān)的閉合需要時(shí)間，t2—t3為直流斷路器的換流支路導(dǎo)通階段，至t3時(shí)刻直流斷路器的通流支路重新導(dǎo)通，換流支路也隨之關(guān)閉。在此之前，短路故障已由線路2兩端的直流斷路器清除，線路1中的電流在故障切除后開(kāi)始振蕩進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)。

圖8 F1處發(fā)生雙極短路故障時(shí)線路1中的電流波形Fig.8 Current waveform in line 1 when a bipolar short-circuit fault occurs at F1

由圖8可知：當(dāng)F1在t0時(shí)刻發(fā)生雙極短路故障時(shí)，對(duì)于線路1來(lái)說(shuō)，故障F2屬于區(qū)內(nèi)故障，超導(dǎo)限流器將于t1時(shí)刻產(chǎn)生故障電壓上升沿，兩端直流斷路器同時(shí)動(dòng)作，至t2時(shí)刻直流斷路器完成故障清除，線路1中的直流電路衰減為0。

由仿真結(jié)果可知，該縱聯(lián)保護(hù)方法的邏輯演繹結(jié)果是十分準(zhǔn)確的。系統(tǒng)區(qū)內(nèi)外故障電流暫態(tài)特征亦與理論分析相符，充分證明了理論分析的正確性。可見(jiàn)，該縱聯(lián)保護(hù)方法能夠可靠對(duì)直流線路雙極短路故障快速隔離，實(shí)現(xiàn)對(duì)柔直系統(tǒng)的保護(hù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)多端柔直系統(tǒng)直流故障線路可靠識(shí)別與快速隔離難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于直流斷路器和電阻型超導(dǎo)限流器的多端柔直系統(tǒng)直流故障保護(hù)技術(shù)方案。對(duì)于兩端均安裝有電阻型超導(dǎo)限流器的直流線路，基于電阻型超導(dǎo)限流器故障電壓的方向縱聯(lián)保護(hù)方案具有故障清除時(shí)間短、保護(hù)可靠性高、不受線路分布電容和分布電感影響的優(yōu)點(diǎn)，并且由于保護(hù)判據(jù)來(lái)自于電阻型超導(dǎo)限流器本身的監(jiān)測(cè)設(shè)備，故不需要額外的電流電壓測(cè)量設(shè)備，投資成本較低。對(duì)于柔直輸電系統(tǒng)，本保護(hù)可以保護(hù)兩端安裝有電阻型超導(dǎo)限流器的直流線路的全長(zhǎng)，可直接作為直流線路的主保護(hù)使用；而且隨著電阻型超導(dǎo)限流器在柔直系統(tǒng)中的進(jìn)一步應(yīng)用，本保護(hù)方案也將具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

與傳統(tǒng)過(guò)流保護(hù)和電流差動(dòng)保護(hù)的直流故障保護(hù)策略相比，該方案動(dòng)作迅速，無(wú)需使用昂貴且可靠性較低的高壓直流電流測(cè)量設(shè)備，在實(shí)現(xiàn)相同保護(hù)效果的同時(shí)大大減少投資，并提高保護(hù)動(dòng)作的可靠性，有效防止保護(hù)誤動(dòng)。同時(shí)，結(jié)合了直流斷路器的開(kāi)斷過(guò)程，本保護(hù)使對(duì)端信號(hào)的傳輸和直流斷路器的開(kāi)斷同時(shí)進(jìn)行，從而可以更快地清除直流線路上的故障，大大提高保護(hù)的速動(dòng)性。