飽和鐵芯型故障限流器對輸電線路故障特征及保護(hù)的影響與對策

戴志輝， 滕正偉， 邱宏逸， 邱曉璇， 秦昊宇

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引 言

我國已建成世界上規(guī)模最大、電壓等級最高的交直流混聯(lián)電網(wǎng)[1]。隨著發(fā)輸配電規(guī)模的繼續(xù)擴(kuò)大、負(fù)荷密度不斷增長，系統(tǒng)短路電流超標(biāo)問題日益突出[2，3]，合理有效的短路電流限制措施對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。故障限流器(fault current limiter，F(xiàn)CL)兼顧了短路電流限制和系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[4，5]，能消除電網(wǎng)架構(gòu)或運(yùn)行方式調(diào)整帶來的供電可靠性下降和輸電能力降低等弊端，同時(shí)能避免采用高阻抗變壓器和限流電抗在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)帶來的額外損耗。

其中，飽和鐵芯型超導(dǎo)故障限流器(saturated iron-core superconductive fault current limiter，SISFCL)憑借響應(yīng)速度快、恢復(fù)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，成為高壓大容量電網(wǎng)中較為理想的故障限流器[6]。近年來，SISFCL研究取得了重大進(jìn)展，國內(nèi)外已有35 kV[7]和220 kV[8]SISFCL掛網(wǎng)運(yùn)行案例，且一些500 kV SISFCL樣機(jī)已進(jìn)入試驗(yàn)測試階段[9]。在限流的同時(shí)，SISFCL可能對系統(tǒng)其他方面產(chǎn)生影響，如輸電線路故障特征、繼電保護(hù)動作特性等。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對SISFCL對電力系統(tǒng)的影響研究主要集中于工作特性、輸電線路保護(hù)動作性能和應(yīng)對策略等方面。文獻(xiàn)[10～12]提出了不同的SISFCL電磁暫態(tài)建模方法，并從仿真角度研究了SISFCL的工作特性。其中，文獻(xiàn)[10]分析了SISFCL的限流特性，文獻(xiàn)[11～12]研究了正常運(yùn)行和暫態(tài)故障情況下的SISFCL阻抗特征；文獻(xiàn)[13]研究了交流繞組與直流勵(lì)磁繞組的電壓、電流波形特征及相互作用規(guī)律，并提出了直流滅磁時(shí)間的影響因素；

針對SISFCL對輸電線路繼電保護(hù)動作特性的影響，文獻(xiàn)[14]提出相比固定電感，采用SISFCL限流更有利于快速切除故障，但故障切除時(shí)間與輸電線路保護(hù)動作性能及斷路器開斷能力關(guān)系密切，該結(jié)論僅基于暫態(tài)功角穩(wěn)定提出，缺乏SISFCL對線路保護(hù)及斷路器動作性能影響的研究；文獻(xiàn)[15]基于SISFCL阻抗特性，分析了其對縱聯(lián)差動保護(hù)、三段式距離保護(hù)及零序過流保護(hù)的影響，缺少SISFCL對其他線路保護(hù)的分析；文獻(xiàn)[16～17]針對SISFCL對三段式距離保護(hù)的影響，提出通過繼電器接線方式改接和定值重新整定的方法降低距離保護(hù)拒動的風(fēng)險(xiǎn)，然而SISFCL阻抗呈明顯的非線性特征且隨時(shí)間變化，難以實(shí)時(shí)計(jì)算，故通過定值重新整定降低距離保護(hù)誤動概率的難度較大，應(yīng)尋找更為合理的繼電保護(hù)應(yīng)對策略。

另一方面，工頻變化量距離保護(hù)憑借動作速度快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，負(fù)序方向保護(hù)憑借耐受過渡電阻能力強(qiáng)和不受系統(tǒng)振蕩影響等特性，在輸電線路領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。同時(shí)，斷路器的故障開斷能力對快速清除故障尤為重要，SISFCL投入后輸電線路故障特征將發(fā)生變化，可能對斷路器開斷能力產(chǎn)生影響。但是，目前有關(guān)SISFCL的研究忽略了其對工頻變化量距離保護(hù)、負(fù)序方向保護(hù)及斷路器動作特性的影響。

以含SISFCL的500 kV雙端系統(tǒng)為例，首先系統(tǒng)分析了SISFCL投入后的輸電線路短路電流諧波特征變化規(guī)律，包括：頻率分布、諧波含量、畸變率及時(shí)間衰減常數(shù)；其次深入研究了SISFCL對各類距離保護(hù)、負(fù)序方向保護(hù)及斷路器開斷能力的影響。最后，基于SISFCL對輸電線路故障特征及保護(hù)的影響分析，提出了初步的應(yīng)對策略。研究結(jié)論可為SISFCL在電力系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 SISFCL模型

1.1 電路結(jié)構(gòu)

SISFCL主要由一次交流繞組、鐵心和直流繞組構(gòu)成，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。一次交流繞組由常規(guī)導(dǎo)體繞制而成，串接于高壓電網(wǎng)，分置于不同鐵心；直流繞組由超導(dǎo)材料繞制而成，同時(shí)為兩個(gè)鐵心提供強(qiáng)直流勵(lì)磁。

圖1 單相SISFCL工作原理

圖1中，i1、i2分別為交流繞組、勵(lì)磁繞組電流；N1、N2分別為交流繞組、勵(lì)磁繞組匝數(shù)，N2為N1的數(shù)十倍；Udc為直流電源；Rdc1為直流電源內(nèi)阻；Rdc2為壓敏電阻；l為鐵心中心線長度。

對于某鐵心磁路，若已知鐵心材料的B-H曲線、繞組匝數(shù)N、長度l和平均截面積S，可由式(1)求得該磁路的L-i曲線。

(1)

SISFCL鐵心磁化曲線如圖2(a)所示，其電感-電流曲線如圖2(b)所示。

圖2 SISFCL鐵心特性曲線

由圖2可知，SISFCL阻抗隨電流的變化呈明顯的非線性特征。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，快速開關(guān)閉合，直流電源為超導(dǎo)繞組提供恒定的強(qiáng)直流偏置磁場，2個(gè)鐵心分別工作于正/反向飽和區(qū)。而一次繞組流過的負(fù)荷電流幅值較小，其產(chǎn)生的去磁作用不足以使鐵心退出飽和。此時(shí)，SISFCL近似為空心電感，處于低阻態(tài)，對系統(tǒng)的正常運(yùn)行基本無影響。

電網(wǎng)發(fā)生短路時(shí)，交流繞組電流迅速增大，其去磁作用使鐵心在每個(gè)交變周期內(nèi)處于短時(shí)間的非飽和狀態(tài)，交流繞組兩端電壓降增大，SISFCL工作于限流區(qū)，處于高阻態(tài)，起到限制短路電流的作用。另外，當(dāng)SISFCL控制環(huán)節(jié)監(jiān)測到電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，快速開關(guān)迅速切斷直流電流，直流勵(lì)磁繞組經(jīng)滅磁電阻Rdc2釋放磁能，勵(lì)磁電流i2快速衰減至零，鐵心退出直流激磁狀態(tài)。此時(shí)，SISFCL相當(dāng)于鐵心電感，可獲得較大的電抗值。

1.2 電磁暫態(tài)建模

由等效磁路分解法可得單相SISFCL的等效電路[10]，如圖3所示。

圖3 單相SISFCL等效電路

圖3中，u1、u2、u3分別為交流繞組1、2和直流繞組兩端電壓。統(tǒng)一磁路(UMEC)模型可將鐵心特性與變壓器磁路相結(jié)合，利用勵(lì)磁支路的非線性間接表示軛鐵的非線性，在模擬SISFCL非線性特征時(shí)具有較高的仿真精度，且無需繞組匝數(shù)、鐵心長度和截面積等信息[18]，降低了SISFCL電磁暫態(tài)建模難度。本文利用500 kV SISFCL樣機(jī)參數(shù)[9]和PSCAD/EMTDC中單相雙繞組UMEC變壓器元件搭建SISFCL電磁暫態(tài)仿真模型，每相的SISFCL由兩個(gè)完全相同的UMEC變壓器連接而成。為便于分析，磁路采用等長/等截面積設(shè)計(jì)，鐵心非線性特性采用默認(rèn)參數(shù)，利用恒定電阻替代壓敏電阻，IGBT于故障后5 ms斷開。

2 SISFCL對輸電線路故障特征的影響分析

SISFCL投入后的500 kV輸電系統(tǒng)如圖4所示，SISFCL安裝于MN線路斷路器CB1出口處?；诖a(bǔ)線路故障電流特征分析方法[19]，對SISFCL投入后的線路故障電流特征進(jìn)行分析。

圖4 SISFCL串入后的500 kV輸電系統(tǒng)

圖4中，CB1～CB4分別為線路L1、L2兩側(cè)的斷路器(也即保護(hù)安裝處)。將輸電線路和SISFCL等效為二端口網(wǎng)絡(luò)，則線路含SISFCL的等效網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。

圖5 含SISFCL的兩端口網(wǎng)絡(luò)

(2)

(3)

(4)

(5)

令A(yù)=e-γl表示輸電線路的傳輸參數(shù)，并令：

(6)

(7)

則保護(hù)CB1處測量電流的頻域表達(dá)式變換為：

(8)

將式(10)表示為無窮級數(shù)和的形式可得：

(9)

系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，若線路不連接SISFCL，故障電流中的諧波及直流分量將衰減至零，故障穩(wěn)態(tài)電流只含有工頻分量。若故障回路包含SISFCL，由式(6)～(9)可知，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，ka、kb值受ZSIS影響將發(fā)生改變，從而導(dǎo)致故障分量電流發(fā)生變化，保護(hù)安裝處測量電流的各次諧波分量特征亦將發(fā)生變化。

SISFCL工作于限流狀態(tài)時(shí)，其阻抗的非線性特征明顯。由圖2可知，在短路電流過零點(diǎn)附近(也即SISFCL的B-H曲線[a,b]區(qū)間內(nèi))，SISFCL阻抗很大；而在短路電流其它點(diǎn)(也即SISFCL的B-H曲線[a,c]、[b,d]區(qū)間內(nèi))，SISFCL阻抗較正常運(yùn)行時(shí)增大，但與短路電流過零點(diǎn)附近相比仍較小。定義限流系數(shù)為：

(10)

式中：If、If′分別為有、無SISFCL時(shí)CB1處短路電流；Zk為無SISFCL時(shí)的短路阻抗；kf隨時(shí)間變化。結(jié)合SISFCL阻抗特性可知，區(qū)間[a,b]內(nèi)短路電流較小且SISFCL阻抗很大，電流幾乎為零；而區(qū)間[a,c]、[b,d]內(nèi)，短路電流較大且SISFCL阻抗相比[a,b]區(qū)間內(nèi)較小，短路電流由If降低為If′?？蓪⑾蘖骱竽骋恢芷趦?nèi)的短路電流近似分段表示：

(11)

由式(11)易知，SISFCL投入后，短路電流幅值降低，且短路電流過零點(diǎn)附近將出現(xiàn)明顯的電流變化平緩區(qū)間，該段時(shí)間內(nèi)電流接近于零，電流波形畸變程度增加，諧波特征將發(fā)生變化。故障到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，短路電流波形滿足奇諧波函數(shù)變化規(guī)律，短路電流奇次諧波含量將明顯增大且保持不衰減，偶次諧波含量將衰減為零。另外，SISFCL改變了故障回路的原有阻抗特性，可能會對故障電流諧波衰減特性產(chǎn)生影響。

3 SISFCL對輸電線路繼電保護(hù)的影響分析

3.1 SISFCL阻抗特性對距離保護(hù)的影響

文獻(xiàn)[15～17]分析了SISFCL對第Ⅰ類距離保護(hù)即三段式距離保護(hù)的影響，但未分析其對第Ⅱ類距離保護(hù)及工頻變化量距離保護(hù)的影響。

3.1.1 第Ⅱ類距離保護(hù)

第Ⅱ類距離保護(hù)包括正序極化電壓距離保護(hù)和補(bǔ)償式距離保護(hù)等，此類距離保護(hù)根據(jù)區(qū)內(nèi)外故障工作電壓與極化電壓相位的不同變化規(guī)律構(gòu)成動作判據(jù)：

(12)

(13)

(14)

SISFCL工作于限流狀態(tài)時(shí)，間接增大了區(qū)內(nèi)故障測量阻抗，可能引起第Ⅱ類距離保護(hù)區(qū)內(nèi)末端故障拒動。以BC相間短路為例說明，線路安裝SISFCL前工作電壓為：

(15)

線路安裝SISFCL后工作電壓為：

(16)

3.1.2 工頻變化量距離保護(hù)

圖6 工頻變化量距離保護(hù)動作特性

根據(jù)以上分析，線路加裝SISFCL后，若系統(tǒng)發(fā)生短路故障，SISFCL將迅速切換至限流狀態(tài)，其阻抗較正常運(yùn)行時(shí)明顯增大且呈感性，短路電流得到有效降低。第Ⅰ類、第Ⅱ類及工頻變化量距離保護(hù)的正確動作依賴于故障位置的準(zhǔn)確判別，SISFCL投入間接增大了保護(hù)安裝處與故障點(diǎn)間的電氣距離，使得各類距離保護(hù)區(qū)內(nèi)末端故障拒動風(fēng)險(xiǎn)明顯增加。此外，由于故障期間SISFCL阻抗呈感性，當(dāng)發(fā)生正向或反向區(qū)外故障時(shí)，SISFCL對各類距離保護(hù)的正確動作并無影響。

3.2 SISFCL勵(lì)磁特性對負(fù)序方向保護(hù)的影響

負(fù)序方向保護(hù)作為一種超/特高壓大容量遠(yuǎn)距離輸電領(lǐng)域重要的方向縱聯(lián)保護(hù)，具有如下優(yōu)勢：不受系統(tǒng)振蕩、負(fù)載電流、過渡電阻、平行線零序互感影響；針對由不對稱故障發(fā)展而來的三相短路，能夠可靠動作；負(fù)序分量以相間為回路，抗分布電容能力較強(qiáng)。

負(fù)序方向保護(hù)正方向元件動作方程為：

(17)

反方向元件動作方程為：

(18)

目前，SISFCL結(jié)構(gòu)基本為三相共用直流勵(lì)磁，其阻抗大小與交流繞組電流大小相關(guān)。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，SISFCL突然失磁將導(dǎo)致各相阻抗顯著增大，各時(shí)刻的三相電流瞬時(shí)值不同，故失磁后三相阻抗不對稱程度將明顯上升，尤其在輸電線路大負(fù)荷運(yùn)行方式下，將產(chǎn)生幅值較大的負(fù)序電流/電壓。而SISFCL阻抗呈感性，其阻抗角與輸電線路阻抗角接近，直流失磁后CB1處負(fù)序電壓、電流滿足原稿式(17)，故輸電線路繼電保護(hù)裝置中負(fù)序方向保護(hù)的正方向元件將會啟動。另外，故障切除后，若故障相SISFCL恢復(fù)時(shí)間較長，將造成故障恢復(fù)期間三相不對稱時(shí)間增加，負(fù)序方向保護(hù)可能再次動作，系統(tǒng)故障時(shí)間延長，進(jìn)而對系統(tǒng)產(chǎn)生更大的危害。三相不對稱程度取決于SISFCL工作狀態(tài)、線路長度及SISFCL阻抗相對于系統(tǒng)阻抗的大小。

3.3 SISFCL限流器對斷路器開斷能力的影響

斷路器開斷時(shí)間的主要影響因素為觸頭燃弧起始階段的短路電流幅值及燃弧持續(xù)時(shí)間[20]。觸頭燃弧起始階段短路電流幅值主要受短路電流穩(wěn)態(tài)值與衰減直流分量影響。斷路器觸頭剛分離時(shí)有電弧續(xù)流，電流過零時(shí)電弧漸漸熄滅，觸頭逐漸分離，當(dāng)觸頭間電壓隨觸頭分離而迅速上升并超過恢復(fù)電壓時(shí)，達(dá)到設(shè)計(jì)開距后完成開斷。

由式(10)、(11)知，SISFCL工作于限流狀態(tài)時(shí)，短路電流穩(wěn)態(tài)值與直流分量均會減小，即觸頭燃弧起始階段的短路電流幅值降低；SISFCL阻抗值僅在短路電流過零點(diǎn)附近很大，該段時(shí)間短路電流大小幾乎為零，將會出現(xiàn)明顯的電流變化平緩區(qū)間，斷路器熄弧時(shí)間間接增長，有利于斷路器的快速開斷。因此，從燃弧起始階段短路電流幅值大小和熄弧時(shí)間兩方面考慮，SISFCL對斷路器的故障開斷能力具有一定提升作用。

4 仿真分析

通過PSCAD/EMTDC搭建含SISFCL的500 kV雙端供電系統(tǒng)模型，如圖7所示。CB1～CB4表示線路L1、L2兩側(cè)保護(hù)；k1～k4分別表示線路中點(diǎn)、SISFCL出口處、線路末端和CB1出口處的故障。

圖7 SISFCL接入500 kV輸電線路示意圖

4.1 正常運(yùn)行時(shí)SISFCL工作特性

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，一次交流繞組兩端電壓、電流波形如圖8所示。

圖8 正常運(yùn)行時(shí)一次繞組電壓/電流波形

由圖8可知，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，一次繞組電流/電壓接近標(biāo)準(zhǔn)工頻正弦波，SISFCL兩端電壓降較低。定義限流器阻抗ZSIS=uSIS/i1，uSIS為SISFCL兩端電壓，i1為一次交流繞組電流，則SISFCL阻抗波形如圖9所示。

圖9 SISFCL阻抗波形

由圖9可知，SISFCL阻抗呈周期非線性特征，其值僅在交流電流過零點(diǎn)附近較大，有效值為1.47 Ω，正常運(yùn)行時(shí)帶來的額外損耗較小，對系統(tǒng)正常運(yùn)行基本無影響。

4.2 SISFCL限流特性

以K1點(diǎn)發(fā)生永久性三相短路(過渡電阻為0)故障為例，驗(yàn)證SISFCL的限流特性。故障發(fā)生時(shí)刻為1.0 s，故障5 ms后IGBT斷開，限流前后保護(hù)CB1處A相測量電流如圖10所示，直流勵(lì)磁電流如圖11所示。

圖10 限流前后A相短路電流波形

圖11 A相直流勵(lì)磁電流波形

對比圖10中限流前后短路電流波形發(fā)現(xiàn)，SISFCL能夠有效降低短路電流。經(jīng)計(jì)算，故障穩(wěn)態(tài)期間SISFCL阻抗明顯增大，有效值為24.48 Ω。由圖11可知，IGBT斷開后5 ms(故障后10 ms)內(nèi)，直流勵(lì)磁電流衰減至零，SISFCL響應(yīng)速度較快，限流特性良好。另外，由圖10可知，加入SISFCL后，短路電流波形過零點(diǎn)附近出現(xiàn)明顯的電流變化平緩區(qū)間，該段時(shí)間內(nèi)電流幾乎為零，波形畸變嚴(yán)重，交變分量不再是正弦波，諧波特征發(fā)生變化。

4.3 SISFCL投入后的輸電線路故障特征

短路故障包括接地故障和相間故障，分別以A相接地和BC相間短路故障為例，研究不同故障初相角及不同故障位置下SISFCL線路的故障諧波特征。當(dāng)K1點(diǎn)發(fā)生金屬性A相接地及BC相間短路時(shí)(故障發(fā)生時(shí)刻為1.0 s、持續(xù)時(shí)間為10 s，故障初相角0°)，短路電流波形分別如圖12、圖13。

圖12 A相電流(單相接地)

由圖12、圖13可知，系統(tǒng)發(fā)生單相接地或兩相短路故障時(shí)，短路電流波形過零點(diǎn)附近亦會出現(xiàn)明顯的電流平緩區(qū)間，系統(tǒng)諧波特征發(fā)生變化。同時(shí)不難發(fā)現(xiàn)，故障到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，短路電流波形為奇諧波函數(shù)，通過FFT分析SISFCL線路的故障諧波含量。根據(jù)FFT理論，奇諧波函數(shù)不含偶次諧波，因此故障到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，短路電流奇次諧波含量將增大且保持不衰減，偶次諧波含量衰減為零。

圖13 B相電流(相間短路)

圖14給出了SISFCL退出、投入狀態(tài)下，線路K1點(diǎn)發(fā)生永久性A相接地故障時(shí)(過渡電阻為0，故障初相角為0°)，A相短路電流各次諧波分量有效值；圖15給出了SISFCL退出、投入狀態(tài)下，線路K1點(diǎn)發(fā)生永久性BC相間短路故障時(shí)(過渡電阻為0，故障初相角為0°)，B相短路電流各次諧波分量有效值?？紤]高次諧波含量低且衰減時(shí)間快，圖14、圖15只給出2～16次諧波電流有效值變化情況。

圖14 A相短路電流諧波含量(A相接地)

對比SISFCL退出和投入狀態(tài)下的短路電流諧波頻率分布及含量大小可知，線路投入SISFCL后：

(1)短路電流奇次諧波特征：故障暫態(tài)期間，奇次諧波除幅值降低外其余特征變化并不明顯；故障到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，奇次諧波分量明顯增大且保持不衰減，尤其是3、5、7次低頻諧波，頻率越高幅值越低。

(2)短路電流偶次諧波特征：故障暫態(tài)期間，偶次諧波幅值降低，時(shí)間衰減常數(shù)顯著增大。當(dāng)故障到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，偶次諧波亦會衰減至零，與線路未安裝SISFCL時(shí)的偶次諧波衰減規(guī)律相似。

表1、表2分別給出了SISFCL退出、投入狀態(tài)下，當(dāng)線路K1點(diǎn)發(fā)生永久性A相接地或BC相間短路時(shí)(過渡電阻為0，故障初相角為0°、90°)，短路電流奇次/偶次諧波時(shí)間衰減常數(shù)、故障穩(wěn)態(tài)期間短路電流工頻分量、奇次/偶次諧波諧波有效值及對應(yīng)的諧波畸變率。當(dāng)K2、K3和K4處發(fā)生故障時(shí)，短路電流諧波分析結(jié)果見附錄表1～表6。

由表1、表2及附錄表1～6可得以下結(jié)論：

表1 K2點(diǎn)A相接地短路電流(A相)工頻分量及諧波畸變率

表2 K2點(diǎn)BC相間故障短路電流(B相)工頻分量及諧波畸變率

(1)當(dāng)SISFCL出口處發(fā)生短路時(shí)，短路電流幅值較大，保護(hù)CB1處測量阻抗為SISFCL阻抗，而SISFCL阻抗僅在短路電流過零附近較大，偶次諧波衰減時(shí)間大幅增加。

(2)當(dāng)保護(hù)CB1與SISFCL之間發(fā)生短路時(shí)，線路L1的M側(cè)短路回路并不包含SISFCL，短路電流諧波特征不受SISFCL影響，與線路未投入SISFCL時(shí)的諧波特征相同。

(3)當(dāng)線路末端發(fā)生短路時(shí)，短路電流諧波特征與圖14、圖15分析結(jié)果相似。

圖15 B相短路電流諧波含量(相間短路)

綜上，系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，若故障回路包含SISFCL，短路電流諧波特征將發(fā)生明顯變化，故障穩(wěn)態(tài)期間奇次諧波含量增大且保持不衰減；偶次諧波時(shí)間衰減常數(shù)明顯增大，且與故障點(diǎn)位置關(guān)系密切，若故障點(diǎn)位置位于SISFCL出口附近，則偶次諧波時(shí)間衰減常數(shù)變化規(guī)律與K2點(diǎn)分析結(jié)果相似；若故障點(diǎn)位置離SISFCL較遠(yuǎn)，則時(shí)間衰減常數(shù)變化規(guī)律與K1、K3點(diǎn)分析結(jié)果相似。若故障回路不包含SISFCL，短路電流諧波特征與未投入SISFCL時(shí)的諧波特征相同。

對于含有SISFCL的輸電線路，各類距離保護(hù)區(qū)內(nèi)末端故障拒動風(fēng)險(xiǎn)增加，輸電線路繼電保護(hù)可靠性大幅降低，嚴(yán)重阻礙了SISFCL在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用。研究SISFCL對輸電線路故障諧波特征的影響，可以為含SISFCL的輸電線路提供繼電保護(hù)新思路，對進(jìn)一步提升線路保護(hù)性能具有重要意義。

4.4 SISFCL對線路繼電保護(hù)系統(tǒng)影響的仿真分析

SISFCL對輸電線路各類距離保護(hù)的影響均表現(xiàn)為增加了距離保護(hù)區(qū)內(nèi)末端故障拒動風(fēng)險(xiǎn)，已有文獻(xiàn)針對三段式距離保護(hù)的拒動現(xiàn)象進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，故僅對負(fù)序分量保護(hù)動作特性及斷路器開斷能力進(jìn)行仿真。

4.4.1 負(fù)序方向保護(hù)

當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，若SISFCL突然發(fā)生直流失磁，直流失磁時(shí)間為1.0 s，CB1處負(fù)序電壓/電流基波有效值如圖16所示。

圖16 負(fù)序電壓、電流有效值

由圖16可知，SISFCL直流突然失磁后，三相阻抗不對稱程度明顯增加，負(fù)序分量較正常運(yùn)行時(shí)明顯增大，尤其在線路大負(fù)荷運(yùn)行方式下，負(fù)序分量將會更高。SISFCL阻抗呈感性，其阻抗角與輸電線路阻抗角接近，直流失磁后圖7中CB1處負(fù)序電壓、電流滿足式(17)。輸電線路繼電保護(hù)裝置檢測到系統(tǒng)異常運(yùn)行后，負(fù)序方向保護(hù)的正方向元件會啟動。故障恢復(fù)期間，誤動原理與之類似，不再贅述。

4.4.2 斷路器開斷能力

當(dāng)K1點(diǎn)發(fā)生金屬性A相接地故障(故障時(shí)刻為1.0 s、持續(xù)時(shí)間為10 s)時(shí)，A相短路電流及其直流分量波形如圖17所示。

圖17 A相短路電流及其直流分量波形

由圖17(a)知，SISFCL接入線路后，短路電流幅值降低，短路電流過零點(diǎn)附近出現(xiàn)明顯的電流變化平緩區(qū)間，該段時(shí)間內(nèi)電流幾乎為零，且無短路電流過零延時(shí)現(xiàn)象；由圖17(b)知，直流分量得到有效抑制，直流分量衰減時(shí)間較未投入SISFCL時(shí)變化不大。由此可見，SISFCL投入后，觸頭燃弧起始階段的短路電流幅值降低、電弧熄滅時(shí)間增加，斷路器的開斷能力得到提升。

綜上，仿真結(jié)果表明，SISFCL串入線路后，輸電線路故障特征發(fā)生變化。系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流增大，為限制短路電流SISFCL阻抗增大，故障到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，短路電流奇次諧波含量上升且保持不衰減，偶次諧波最終衰減至零，但時(shí)間衰減常數(shù)明顯增加，且衰減特性受故障點(diǎn)位置影響。短路期間，保護(hù)安裝處測量阻抗明顯增大，各類距離保護(hù)區(qū)內(nèi)末端故障拒動風(fēng)險(xiǎn)增加。若系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)SISFCL突然發(fā)生直流失磁，或SISFCL直流勵(lì)磁恢復(fù)時(shí)間過長，將造成負(fù)序保護(hù)誤動；另外，SISFCL工作于限流狀態(tài)時(shí)，一定程度上提升了斷路器的故障開斷能力。仿真結(jié)果與理論分析相符合。

5 輸電線路繼電保護(hù)應(yīng)對策略

(1)前文分析表明，系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，若故障回路包含SISFCL，則該回路故障穩(wěn)態(tài)期間短路電流低頻段奇次諧波含量上升且不衰減；若故障回路不包含SISFCL，則該回路故障穩(wěn)態(tài)期間短路電流低頻段奇次諧波含量衰減為零。對于含有SISFCL的輸電線路，區(qū)內(nèi)故障時(shí)，線路兩側(cè)保護(hù)對應(yīng)的故障回路僅一側(cè)含有SISFCL；而區(qū)外故障時(shí)，兩側(cè)保護(hù)對應(yīng)的故障回路均含有SISFCL。故可通過此差異識別區(qū)內(nèi)外故障，實(shí)現(xiàn)步驟為：

第1步：根據(jù)故障穩(wěn)態(tài)期間短路電流低頻段奇次諧波能量差異，判斷輸電線路兩側(cè)保護(hù)對應(yīng)故障回路是否含有SISFCL。

第2步：基于第1步分析結(jié)果，結(jié)合區(qū)內(nèi)外故障時(shí)線路兩側(cè)保護(hù)對應(yīng)故障回路是否含有SISFCL的差異性識別區(qū)內(nèi)外故障。

該方法能夠可靠識別區(qū)內(nèi)外故障，且不受故障類型、故障位置、過渡電阻及故障初相角的影響?？勺鳛楹琒ISFCL輸電線路的后備保護(hù)，與距離保護(hù)配合使用，避免了距離保護(hù)定值重新整定難度較大的問題，提高了輸電線路繼電保護(hù)可靠性。

(2)為避免正常運(yùn)行時(shí)SISFCL直流失磁帶來的負(fù)序方向保護(hù)誤動問題，SISFCL應(yīng)加裝直流失磁保護(hù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測直流勵(lì)磁系統(tǒng)，一旦發(fā)現(xiàn)正常運(yùn)行時(shí)SISFCL直流勵(lì)磁工作異常，立即通過隔離開關(guān)屏蔽失磁相SISFCL；為避免故障恢復(fù)期間負(fù)序保護(hù)再次動作，應(yīng)從SISFCL勵(lì)磁恢復(fù)角度考慮，使限流器在完成限流后盡快恢復(fù)至低阻態(tài)，從而達(dá)到電網(wǎng)重合閘要求。

6 結(jié) 論

(1)SISFCL串入后，輸電線路故障特征愈加復(fù)雜。故障穩(wěn)態(tài)期間，SISFCL阻抗呈明顯的周期非線性特征，短路電流奇次諧波含量上升且不衰減；偶次諧波最終衰減至零，但時(shí)間衰減常數(shù)明顯增加，衰減特性與故障點(diǎn)位置關(guān)系密切。

(2)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，SISFCL使得各類距離保護(hù)區(qū)內(nèi)末端故障拒動風(fēng)險(xiǎn)增加。若系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)SISFCL直流側(cè)突然失磁，或故障相SISFCL勵(lì)磁恢復(fù)時(shí)間過長，將會導(dǎo)致系統(tǒng)負(fù)序電壓/電流含量上升，尤其在大負(fù)荷運(yùn)行方式下，負(fù)序方向保護(hù)可能發(fā)生誤動。

(3)SISFCL串入線路后，觸頭燃弧起始階段短路電流幅值降低、熄弧時(shí)間增加，且無短路電流過零延時(shí)現(xiàn)象，斷路器的開斷能力得到提升。

(4)針對SISFCL對輸電線路距離保護(hù)和負(fù)序方向保護(hù)的影響提出了初步的應(yīng)對策略，在后續(xù)的工作中進(jìn)一步細(xì)化。