國產公里級高溫超導線路保護優(yōu)化方案

余洪，梁臣，吳通華,3，孫良凱，李延新，謝偉

(1.智能電網保護和控制國家重點實驗室，江蘇 南京 211106；2.南瑞集團有限公司，江蘇 南京 211106；3.河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京 210098；4.國網上海市電力有限公司，上海 200122)

隨著技術的發(fā)展，超導材料被越來越廣泛地應用于電力系統(tǒng)領域，典型應用是作為故障限流器[1-2]，利用超導帶材的失超特性有效抑制故障電流大小。隨著高溫超導(high temperature superconducting，HTS)輸電技術的突破，其更具前景的應用是作為輸電線纜。高溫超導電纜相比于常規(guī)電纜具有傳輸能量大、線路損耗低、環(huán)境污染小、結構緊湊等特點，傳輸同等容量時，超導線路可以降低1～2個電壓等級，適合在大城市及城市密集區(qū)使用[3]。世界上第1組并網運行的高溫超導電纜是由美國南線公司研制的30 m、30 kV、1 250 A高溫超導電纜，于1999年底并網運行[4]；2004年7月10日，我國第1組長度為33.5 m的高溫超導電纜系統(tǒng)在云南昆明普吉變電站投入運行[5]。隨著高溫超導電纜研制技術的發(fā)展，長距離的超導輸電項目相繼出現：德國Essen市2013年完成了Ampactiy三相同軸高溫超導電纜項目[6]，該項目是世界首條公里級的超導輸電電纜，線路于2014年4月開始正式供電；文獻[7]介紹了阿姆斯特丹計劃建設的超導工程項目，高溫超導電纜長度達到6 km；我國在2019年啟動了公里級高溫超導電纜示范工程的建設[8]，未來長距離高溫超導電纜輸電研究成為趨勢。

在超導線路繼電保護的研究方面：文獻[5]介紹了一種基于不同電流水平的三層保護方案，此方案以電流保護為主保護，對于長距離高溫超導電纜，無法實現電纜全長范圍區(qū)內故障的快速切除；文獻[9]介紹了韓國濟州島1 km、154 kV、2 250 A高溫超導電纜示范工程的情況，項目配置了傳統(tǒng)的差動保護作為主保護，未討論超導線路后備保護的配置方案。從已有文獻來看，目前關于超導線路保護特別是電氣量保護方面的研究較少，并且沒有完整的主保護、后備保護及故障恢復方案介紹。因此有必要研究公里級乃至更長距離超導線路電氣特性，以便確定完整的繼電保護配置方案。

本文從高溫超導電纜電氣特性入手，分析傳統(tǒng)線路保護方案應用于超導線路保護的適應性，針對存在的問題，提出公里級高溫超導線路的保護優(yōu)化方案；并結合示范工程的實際情況，提出一種基于網絡信息交互的超導線路與備用常規(guī)線路的切換方案。

1 高溫超導電纜特性及保護適應性

1.1 示范工程簡介

上海公里級高溫超導電纜示范應用場景選擇長春站—漕溪站線路，一次系統(tǒng)如圖1所示。鑒于高溫超導電纜體積小、重量輕、損耗低和傳輸容量大的優(yōu)點，嘗試用超導線路替代常規(guī)線路。新建1條220 kV長春站至220 kV漕溪站的35 kV超導線路，最大輸送電流2 200 A，由長春站35 kV四段母線供漕溪站35 kV五段母線及35 kV六段母線，原有長春站至漕溪站的常規(guī)線路春漕833甲線、春漕833乙線改為備用線路。

圖1 公里級高溫超導電纜示范工程接線

公里級高溫超導電纜系統(tǒng)主要由超導電纜本體、中間接頭、終端和制冷系統(tǒng)4個部分組成，結構如圖2所示。超導電纜采用三相統(tǒng)包型冷絕緣方式。電纜終端作為電纜端頭，是超導電纜與外部電氣設備之間以及冷卻介質和制冷設備之間的連接通道。公里級長度超導線路會有中間接頭來連接電纜，達到長距離輸電的目的。

圖2 公里級高溫超導電纜系統(tǒng)結構

1.2 高溫超導電纜電氣特性

超導體運行在超導態(tài)時有3個臨界值：臨界溫度Tc、臨界磁場Hc和臨界電流Ic。研究表明，超導體在運行過程中上述3個基本參量中的任一個超過臨界值，超導體的超導性就會消失，部分進入“正常態(tài)”。

高溫超導電纜的電氣參數取決于超導電纜所用的材料和幾何尺寸，圖3為三相統(tǒng)包超導電纜典型結構，由內到外依次為銅支撐體、超導導體層、絕緣層、超導屏蔽層、銅屏蔽層、液氮層和鎧裝層。與同電壓等級的常規(guī)電力電纜相比，高溫超導電纜電氣參數有如下特點：超導電纜在超導態(tài)的時候電阻基本為零；超導電纜的電感近似與三相間的距離的對數成正比；超導電纜的電容大于常規(guī)電纜的電容，這是因為兩者絕緣層厚度基本一致，由于超導電纜中具有冷卻通道導致導電線芯等效半徑增大，從而使電容增大。

圖3 三相超導電纜典型結構

1.3 對保護的要求

高溫超導電纜系統(tǒng)為重要的電力設備，其故障類型可分為超導帶材本體故障和制冷、循環(huán)等系統(tǒng)故障。前者主要是電流短路故障，通過保護裝置檢測；后者主要是非電氣量故障，由失超故障識別單元檢測。超導電纜系統(tǒng)發(fā)生故障后如果不能及時可靠地退出運行，可能會燒壞超導線材，也可導致液氮體積急增，甚至損壞電纜系統(tǒng)。

超導電纜在超導態(tài)時電氣特性與常規(guī)電纜線路相比差異較大，現有低壓線路保護配置的距離保護、縱聯差動保護、過流保護、重合閘的保護原理用在公里級超導線路上不能完全適用。

針對傳統(tǒng)的距離保護，超導電纜在電流升高到一定值后，會出現明顯的電阻特性，即導體的電阻與通過導體的電流相關，故基于R-L模型原理的距離保護不再適用。

差動保護基于基爾霍夫定律，理論上具有絕對的選擇性，適用于超導線路。由于超導電纜分布電容較常規(guī)電纜大[10]，需考慮長距離超導電纜的分布電容對差動保護動作行為的影響。

超導電纜本體上一般安裝有傳感器，失超故障識別單元通過傳感器采集導體溫度、壓力等非電氣量信息[10-11]并進行判斷。線路保護需要定義接口來接收失超故障識別單元的信號，根據信號等級制訂不同的響應策略。

對于過流保護，由于超導電纜的特性，定時限過流的整定存在難度。

超導電纜發(fā)生故障一般都是永久性故障，其結構復雜，恢復供電的時間比較長，一般都會配置備用線路。超導線路傳輸容量大，為減少線路退出時對電網的沖擊，提高輸電的連續(xù)性，某些情況下可考慮先轉移負荷再退超導線路，因此需要研究超導線路各種故障或異常情況下與備用線路的切換方案。

2 公里級高溫超導線路保護配置方案

根據“加強主保護，簡化后備保護”的原則，對于公里級高溫超導線路，配置反映導體短路故障的差動保護、反映導體內部故障的失超保護作為主保護，配置過流保護作為后備保護[12]。一般認為，電纜線路中的故障幾乎都是永久性的，因此不采用重合閘方式[13]。保護功能配置見表1，本節(jié)分別討論差動保護、失超保護、過流保護的配置方案。

表1 超導線路保護功能配置

2.1 差動保護

35 kV架空線路分布電容小，電纜線路分布電容能達到架空線路的數十倍，超導電纜線路由于自身特征，其分布電容又比常規(guī)電纜線路要大，特別是發(fā)生區(qū)外故障切除、線路空載合閘等情況時，產生的線路暫態(tài)電容電流可能達到穩(wěn)態(tài)電流的若干倍。基于PSCAD建立仿真系統(tǒng)模型，仿真參數按照本示范項目三相統(tǒng)包型冷絕緣高溫超導電纜參數測算，見表2。

表2 超導電纜與常規(guī)電纜參數對照

正常運行時(如圖4所示)，超導線路電容電流約為常規(guī)電纜線路的2.4倍。線路空載合閘時，其暫態(tài)電流較大(如圖5所示)，故高溫超導線路的差動保護可考慮增加電容電流補償功能，以提高相電流差動保護反映區(qū)內故障的靈敏度。圖4、5中，iC為電容電流瞬時值，t為時間。

圖4 常規(guī)電纜線路與超導線路電容電流

圖5 超導線路空載合閘時的電容電流

電容電流的補償方法主要有相量補償法、基于貝瑞隆模型補償法、時域補償法等[14-15]。相量補償法難以補償暫態(tài)電容電流；貝瑞隆模型對裝置采樣率要求較高且計算量大；時域補償法可以補償各種頻率下的電容電流，對穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)電容電流都有較好的補償效果。

采用時域補償法，電容電流與電壓之間的關系為

(1)

式中u為電壓瞬時值。

圖6為超導線路的π型等效電路，其中：Cpg為高溫超導電纜對地電容，iCpg為對應的電容電流；Cpp為相間電容，iCpp為對應的電容電流。

圖6 超導線路的π型等效電路

(2)

其中，

(3)

式(2)、(3)中：上標“a”表示A相(電壓/電流)量，上標“ab、ac”表示相間(電壓)量，下標“m、n”表示m側和n側；C0、C1分別為線路零序電容和正序電容。

保護裝置采集相電壓，通過離散采樣點近似求導可知：

(4)

式中Δt為采樣間隔時間。

(5)

式中i(t)為采樣電流瞬時值。

超導線路空載合閘時,補償前后差動電流波形如圖7所示，可以看出時域補償法對超導線路電容電流有良好的補償效果。

圖7 超導線路空載合閘時，補償前后差動電流波形

2.2 失超保護

高溫超導電纜的溫度、液氮壓力、液氮流量能夠直觀地反映超導電纜狀態(tài)，所以常規(guī)的失超保護一般由對上述非電氣量的監(jiān)測和判斷構成。失超檢測方法有溫升檢測、壓力檢測、流速檢測、超聲波檢測、電壓檢測等。綜合考慮傳感器安裝技術及電纜系統(tǒng)結構，實際只有超導線路的端口處適合安裝傳感器。設置獨立的失超故障識別單元，實時接收來自高溫超導電纜傳感器采集的非電量信息，分析動態(tài)特征并進行失超故障識別，通過預置程序向繼電保護系統(tǒng)發(fā)送失超信號。當監(jiān)視的溫度、壓力、流速等數據異常時，故障識別單元向保護裝置發(fā)信號，信號等級分為4類，對應不同處理方案。保護信號分級：①重大故障：紅色警告，繼續(xù)使用將引發(fā)更嚴重故障，須立即斷開電纜線路；②嚴重故障：橙色警告，較嚴重故障，系統(tǒng)需要修理維護，需切換線路；③一般故障：黃色警告警告，高溫超導電纜系統(tǒng)異常，不影響繼續(xù)供電；④系統(tǒng)正常：綠色信號，高溫超導電纜系統(tǒng)一切正常。

失超故障識別單元與保護裝置之間的信息傳遞可通過面向通用對象的變電站事件(generic object oriented substation event，GOOSE )方式，也可直接通過電纜接線實現。失超保護系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 失超保護系統(tǒng)

2.3 過流保護

2.3.1 定時限過流保護

高溫超導電纜在超導態(tài)時，阻抗減小，相當于減小了輸電線路的電氣距離，而且高溫超導電纜的耐受大電流能力受限于高溫超導電纜的設計參數，這些都增加了高溫超導電纜定時限過流保護上下級配合的整定難度。因此，對定時限過流保護提出以下整定原則：①需配置完整的定時限快速段和遠后備保護；②設計階段需對高溫超導電纜耐受電流時間曲線提出要求，保證在高溫超導電纜保護拒動時，其上一級定時限過流保護延時動作時，高溫超導電纜不損毀。

以圖1示范工程參數建立仿真模型如圖9所示，計算得出高溫超導電纜內部故障及35 kV母線故障時的三相故障電流分別為17.75 kA和18.34 kA(見表3)，同時高溫超導電纜在承受25 kA短路電流時，可運行3 s。因此，高溫超導電纜定時限過流I段按照15 kA、0 s整定，其上一級過流II段按照15 kA、2.5 s整定，可滿足上述定時限過流保護整定原則要求。

表3 示范工程三相故障電流

圖9 示范工程參數模型

2.3.2 反時限過流保護

高溫超導電纜發(fā)生短路后，除了考慮定時限過流保護的配合關系外，還需考慮電流導致的溫升會不會對本體造成損壞。故障電流越大，導體溫升越快，切除時間應越短，反時限過流保護對于保護超導體本身來講更具適用性。

當高溫超導電纜中的電流超過其臨界電流Ic，導體就會由超導態(tài)變?yōu)檎B(tài)，電阻增大，故障電流將從銅基流過，產生熱量，累積到一定程度會燒壞高溫超導電纜。目前國內外對于超導電纜溫升主要采用絕熱計算法[16]，即不考慮液氮散熱，熱平衡過程對應的微分方程為：

(dCuSCucCu(T)+dHTSSHTScHTS(T))dT,

(6)

(7)

式中：T為電纜本體溫度；ρCu為銅的電阻率；dCu、dHTS為銅和超導線材的密度；SCu、SHTS為電纜中銅和超導線材的截面積；cCu、cHTS為銅和超導線材的比熱容。發(fā)生故障時，由于故障時間極短，暫不考慮銅芯與超導體的熱傳遞，即產生的焦耳熱全部被銅芯吸收，則式(7)簡化為

(8)

銅在不同溫度下的電阻率、比熱容見表4、表5。

表4 銅在不同溫度下的電阻率

表5 低溫下銅的比熱容

冷卻管道最小壓強(0.6 MPa)下液氮沸點溫度約為96 K，本示范工程設定的溫度上限為92.354 K，將超導材料參數代入后計算得到溫升的結果。表6為超導電纜耐受電流與理論切除故障時間關系，體現了反時限特征。

表6 耐受電流與理論切除故障時間

目前國內外常用的反時限保護通用數學模型基本形式為

(9)

式中：tcalc為反時限保護動作時間；MC為反時限特性常數，取值通常在0～2；IB為基準電流；IT為動作電流；k為反時限常數。MC值的選取與反時限的應用場景相關，極端反時限的特性常數為2，常用于反映設備過熱狀況，適用于超導線路。

反時限過流特性如圖10所示?？梢钥闯觯瑯O端反時限動作曲線與高溫超導電纜耐受電流-時間(I-t)曲線基本吻合，運用極端反時限公式取一定的裕度，可作為高溫超導電纜反時限過流動作方程。當故障電流較小時，可按定時限延時動作；當故障電流過大時，反時限過流可按極端反時限曲線加速動作。

圖10 反時限過流特性

3 線路切換方案

本示范工程的高溫超導電纜對2條常規(guī)線路進行傳輸替代，2條常規(guī)線路則作為備用線路。在超導線路退出時，為了提高供電可靠性，考慮在條件允許的情況下先投常規(guī)備用線路，再退超導線路，確保供電不間斷。線路切換一般是通過兩站的備自投裝置實現，兩側備自投裝置之間普遍是通過光纖通道或通信接口裝置傳遞信息[17-18]，其裝置接線、信息交互和邏輯配合較復雜。本文提出一種通過線路保護之間的信息交互完成線路切換的方式，不需要依賴專門的備自投裝置。

如圖1所示，長春站35 kV四段母線通過高溫超導線路帶漕溪站35 kV五段、六段母線，常規(guī)線路春漕甲線、春漕乙線轉為備用，春漕甲線、春漕乙線及超導線路分別配置一套光纖縱差保護。裝置的通信方面，目前智能變電站普遍采用“三層兩網”的系統(tǒng)架構[19]，隨著低壓保護裝置標準化的推進，35 kV及以下電壓等級開關柜保護裝置采用制造報文規(guī)范(manufacturing message specification，MMS)與過程層GOOSE網二合一的組網方案，超導線路及2條備用線路的線路保護通過兩站網絡及光纖直聯通道形成整體保護形態(tài)，在跳合閘邏輯上方便實現相互之間的配合。本文以超導線路與春漕甲線的切換為例說明切換原理。超導電纜輸電系統(tǒng)如圖11所示。

圖11 高溫超導電纜輸電系統(tǒng)

3.1 線路切換整體流程

正常情況下漕溪站五段、六段母線由超導線路供電，春漕甲線處于熱備用狀態(tài)。超導體發(fā)生下述2種故障需先退出運行再合備用線路(稱為方式一)：①區(qū)內短路故障，保護裝置通過電氣量判別動作跳閘；②超導體本體重大故障，任一側超導線路保護裝置接收失超故障識別單元的跳閘信號，動作跳本側開關并遠跳線路對側開關。若收到故障識別單元發(fā)出的超導體發(fā)生本體嚴重故障的信號，保護裝置先合備用線路再退超導線路(稱為方式二)。超導線路跳/合閘流程如圖12所示。

圖12 高溫超導電纜跳/合閘流程

3.2 線路切換實現過程

線路切換邏輯集成在超導線路保護3、4中，保護3通過站內GOOSE網絡從保護1獲取備用線路開關位置、電壓狀態(tài)，從春漕站故障識別單元訂閱失超信息，保護4同樣可以獲取保護2和漕溪站故障識別單元的信息。保護3、4借助縱聯光纖通道交互信息。保護裝置之間的信號關系如圖13所示。

圖13 保護裝置之間的信號關系

線路切換是基于備用電源自投的思想，為防止裝置重復動作，設置了充/放電條件。方式一、方式二的充/放電條件相同，啟動條件和動作過程不同。

3.2.1 線路切換充/放電條件

充電條件(邏輯與)：開關3合位；開關4合位；開關1分位；開關2分位；電源側備用線有壓。

放電條件(邏輯或)：開關3分位；開關4分位；開關1合位；保護1無壓；有閉鎖信號開入。

3.2.2 線路切換方式一邏輯

啟動條件(邏輯或)：區(qū)內故障，保護3、4動作；保護3接收到重大故障信號；保護4接收到重大故障信號。動作邏輯如圖14所示。

圖14 方式一動作邏輯

若因區(qū)內故障而啟動，保護3、保護4分別跳開各自開關；若因收到重大故障信號而啟動，收到信號的一側同時遠跳對側，實現兩側跳閘。開關3、4跳開后：保護3向保護1發(fā)GOOSE合閘信號，合開關1；保護4向保護2發(fā)GOOSE合閘信號，合開關2。兩側合閘延時可分別整定，合閘方式可設置為不檢、檢無壓、檢同期方式，以確定合閘先后次序，完成春漕甲線的投入。發(fā)合閘令后未收到相應開關的合位信號，則說明合閘不成功，經短延時報合閘失靈。

3.2.3 線路切換方式二邏輯

啟動條件(邏輯或)：保護3接收到嚴重故障信號；保護4接收到嚴重故障信號。動作邏輯如圖15所示。

圖15 方式二動作邏輯

收到嚴重故障信號并將此信號遠傳至對側，保護3向保護1發(fā)GOOSE合閘信號，合開關1；保護4接收到對側的嚴重故障信號，向保護2發(fā)GOOSE合閘信號，合開關2，兩側合閘延時可分別整定，合閘方式可設置為不檢、檢無壓、檢同期方式。確認開關1和2合位后，跳開關3、4。發(fā)合閘令后未收到相應線路的合位信號，則說明合閘不成功，經短延時報合閘失靈。合閘失靈不影響開關3、4的跳閘邏輯，開關3、4未成功跳開則報對應開關跳閘失靈。

4 結束語

本文根據國產公里級高溫超導電纜示范工程的需求，基于低壓線路保護功能進行優(yōu)化，提出長距離超導線路保護功能配置方案，以縱聯差動保護和非電量(失超)保護作為主保護，以定時限過流和反時限過流作為后備保護，為提高保護的可靠性，上述保護可雙重化配置。提出一種通過線路保護的網絡信息交互實現線路切換的方法，不依賴專門的備自投裝置，提高了供電可靠性。本方案可為公里級高溫超導電纜示范工程的保護裝置配置和推廣應用提供參考，其實用性有待結合實際工程的具體實施進一步驗證。未來隨著工程的推進，在取得高溫超導電纜實驗數據后，將進一步研究優(yōu)化超導線路的保護配置方案。