超導(dǎo)限流器在解決電網(wǎng)短路電流中的應(yīng)用分析

舒彬，陳志莉，任安林，信贏

（1.北京電力技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，北京100055；2.北京云電英納超導(dǎo)電纜有限公司，北京100176）

京津塘、長三角、珠三角的電網(wǎng)均屬于受端電網(wǎng)，受端系統(tǒng)內(nèi)負(fù)荷高度集中，同時(shí)電源建設(shè)向著電廠布局集中化、單機(jī)容量大型化方向發(fā)展，使得系統(tǒng)容量迅速擴(kuò)張，系統(tǒng)短路電流也越來越大。在一些大型城市，如北京、廣州等負(fù)荷密集地區(qū)的樞紐變電站，500kV母線短路電流水平相繼接近或超過63 kA，將面臨無斷路器可換的局面；而在220 kV以下等級的電網(wǎng)中，短路電流不僅增加了電網(wǎng)投資（更換或選用更大容量、更貴的設(shè)備），同時(shí)對現(xiàn)有運(yùn)行設(shè)備也將造成大的沖擊[1]。而且，隨著風(fēng)電、太陽能等新能源的快速發(fā)展，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)愈來愈復(fù)雜，存在多個(gè)站點(diǎn)短路電流同時(shí)超標(biāo)的問題。

對于較高的故障電流水平，常用的解決方案包括：提高開關(guān)設(shè)備和其他設(shè)備的額定電流；解環(huán)運(yùn)行并引入更高電壓連接；引入更高阻抗的變壓器以及串聯(lián)電抗器。但這些方案可能產(chǎn)生其他問題：解環(huán)運(yùn)行同時(shí)也降低了電網(wǎng)的可靠性；高阻抗變壓器可以在一定程度上降低電網(wǎng)的故障短路電流水平，但同時(shí)增加電力的傳輸損耗，對電能質(zhì)量也會造成一定程度的不良影響。

傳統(tǒng)的限流技術(shù)已不能滿足電網(wǎng)發(fā)展需要。超導(dǎo)材料與技術(shù)則提供了全新的解決方案，超導(dǎo)限流器（Superconducting Fault Current Limiter,SFCL）具有穩(wěn)態(tài)低阻、限流高阻及自動(dòng)響應(yīng)恢復(fù)的特性，迄今為止，利用常規(guī)技術(shù)制造的限流裝置是無法達(dá)到這樣理想的性能要求。SFCL將以其獨(dú)特的優(yōu)越性成為極有發(fā)展前景和市場競爭力的新型電力設(shè)備。

1 電網(wǎng)短路電流問題

1.1 500kV等級輸電網(wǎng)

以廣東電網(wǎng)為例，2010年廣東珠三角地區(qū)500kV三/單相平均短路電流為45.7/44.6 kA，比2005年升高6～8 kA。根據(jù)規(guī)劃，2020年500kV變電站將達(dá)到67座。表1所示的規(guī)劃電網(wǎng)全合環(huán)運(yùn)行時(shí)，2015年全省500kV站點(diǎn)平均短路電流水平為48 kA，全網(wǎng)短路電流水平超過63 kA的站點(diǎn)達(dá)到13座，短路電流最高的站點(diǎn)接近70 kA；2015—2020年整體短路電流水平繼續(xù)升高約5 kA，到2020年500kV電網(wǎng)短路電流水平超過63 kA的站點(diǎn)將達(dá)到17座[2]。

表1 廣東規(guī)劃電網(wǎng)全合環(huán)運(yùn)行時(shí)短路電流水平表Tab.1 Anticipated short circuit current levels at ringclosed operation in Guangdong

考慮全合環(huán)下全網(wǎng)500kV短路電流水平過高，需采取降低短路電流水平措施以滿足電網(wǎng)運(yùn)行要求，如廣東內(nèi)環(huán)網(wǎng)解開運(yùn)行、部分500kV線路斷開運(yùn)行、部分500kV線出串或站外跳通運(yùn)行等。通過采取措施后對2011—2020年廣東500kV電網(wǎng)短路電流進(jìn)行計(jì)算，500kV電網(wǎng)短路電流整體水平仍然較高，部分地區(qū)仍需進(jìn)一步采取措施，以控制短路電流至合理水平。

1.2 220 kV高壓環(huán)網(wǎng)

隨著500kV電網(wǎng)逐漸增強(qiáng)，很多地區(qū)出現(xiàn)了500kV/220 kV高低壓電磁環(huán)網(wǎng)，限制短路電流要求最迫切的時(shí)候往往出現(xiàn)在高低壓電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)期。由于部分地區(qū)500kV尚未成為主干網(wǎng)，220 kV系統(tǒng)短路電流水平不斷增大。在這個(gè)過渡階段中，原有電壓等級的電網(wǎng)已經(jīng)接近其傳輸負(fù)荷能力的極限，這正是更高一級電網(wǎng)出現(xiàn)的原因。接有更大容量機(jī)組的高壓線路的投入運(yùn)行使該地區(qū)電網(wǎng)容量更大，聯(lián)系更緊密，從而使短路電流問題更加突出[3]。

以北京電網(wǎng)為例，北京電網(wǎng)由500kV變電站構(gòu)成環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，220 kV樞紐變電站與500kV電網(wǎng)形成電磁環(huán)網(wǎng)，220 kV負(fù)荷變電站110 kV變電站呈放射狀網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，共同形成地區(qū)主網(wǎng)架供電結(jié)構(gòu)。

北京電網(wǎng)是典型的受端電網(wǎng)，外送電比重較高的受端電網(wǎng)特性使區(qū)內(nèi)電力供應(yīng)過度依賴于外部資源狀況，供應(yīng)的主動(dòng)性、安全性受到一定的挑戰(zhàn)。隨著華北主網(wǎng)及京津冀北電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，系統(tǒng)電源增加，電網(wǎng)內(nèi)部聯(lián)系日益加強(qiáng)，北京電網(wǎng)220 kV母線短路電流水平逐年增大，部分地區(qū)的短路電流已經(jīng)接近設(shè)備限值。

220 kV等級以下電網(wǎng)短路電流雖然有較多解決方案，但也面臨其他問題，如更換設(shè)備費(fèi)用高昂，解環(huán)運(yùn)行同時(shí)也降低了電網(wǎng)的可靠性，高阻抗變壓器增加電力的傳輸損耗，對電能質(zhì)量也會造成一定程度的不良影響。

1.3 分布式發(fā)電系統(tǒng)

為了節(jié)約能源和減低CO2的排放，分布式發(fā)電已成為一種重要的電力電源形式。分布式電源主要接入配電網(wǎng)，表2是國網(wǎng)城市電網(wǎng)設(shè)計(jì)導(dǎo)則給出的不同容量的分布式電源并網(wǎng)的電壓等級參照表[4]。

表2 不同容量的分布式電源并網(wǎng)的電壓等級參照表Tab.2 Voltage level reference for distributed power grids

中國傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)總體上采取了單電源、輻射式結(jié)構(gòu)。分布式電源接入到配電網(wǎng)中，原有配電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，配電網(wǎng)中的短路電流分布明顯與不接分布式電源時(shí)不同。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，除了系統(tǒng)向故障點(diǎn)提供故障電流外，分布式電源也將對故障點(diǎn)提供故障電流。由于分布式電源有助增電流的作用，流經(jīng)故障點(diǎn)的故障電流將增大[5]。同樣，在這種網(wǎng)絡(luò)中由于并聯(lián)支路較多，使得系統(tǒng)總阻抗較低，總的短路電流水平較高。在這種電網(wǎng)中，有效控制短路電流的水平具有重要的經(jīng)濟(jì)性。因?yàn)樵陔娋W(wǎng)中已安裝大量的斷路器，把其中容量較低的更換為容量較高的成本太高。為限制總短路電流水平，需要限制每個(gè)電源分支處的短路電流水平。這種情況下系統(tǒng)容量相對較小，限流設(shè)備應(yīng)具有很低的阻抗以保證電壓的穩(wěn)定性。

2 超導(dǎo)限流器在電網(wǎng)中的應(yīng)用分析

2.1 超導(dǎo)限流器的技術(shù)優(yōu)勢

SFCL與普通的限流裝置相比具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[6-7]：

1）在正常運(yùn)行狀態(tài)下呈現(xiàn)較低的阻抗，可以減低故障限流設(shè)備的運(yùn)行損耗，保證用戶電壓的穩(wěn)定性和用電質(zhì)量；

2）發(fā)生短路故障時(shí)，可以立即產(chǎn)生高阻抗，限制電網(wǎng)的故障短路電流水平；

3）可以根據(jù)電網(wǎng)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，將故障電流限制在電網(wǎng)允許的短路電流范圍內(nèi)；

4）動(dòng)作快，有可能在亞毫秒級的時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)；

5）能自動(dòng)觸發(fā)、自動(dòng)快速復(fù)位，集檢測、觸發(fā)、限流于一體；

6）當(dāng)SFCL連接在幾個(gè)互聯(lián)的系統(tǒng)之間，能形成穩(wěn)定的電力網(wǎng)，保證某一系統(tǒng)發(fā)生故障而不至于影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，提高系統(tǒng)的可靠性，而這種特性正是目前準(zhǔn)備大力發(fā)展的節(jié)能、安全、堅(jiān)強(qiáng)的智能電網(wǎng)所需要的。

此外，SFCL有多種類型，不同類型的SFCL也有其本身的優(yōu)缺點(diǎn)。從限流器件的性質(zhì)上分，SFCL可分為電阻型和電感型。電阻型超導(dǎo)限流器是利用電阻的變化來通流、限流的，而電感型超導(dǎo)限流器是利用感應(yīng)電勢的變化實(shí)現(xiàn)通流、限流的[8]。

電阻型SFCL將超導(dǎo)通流/限流元件串聯(lián)在電網(wǎng)中。正常輸電時(shí)，超導(dǎo)元件處于超導(dǎo)狀態(tài)，電阻幾乎為0；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障，短路電流超過超導(dǎo)通流/限流元件的超導(dǎo)臨界電流，該元件就會在很短的時(shí)間內(nèi)失超，成為一個(gè)電阻，從而有效地限制了電流。但由于電阻型SFCL對超導(dǎo)材料的要求很高，制作大容量限流器的難度很大。限流時(shí)超導(dǎo)材料需經(jīng)歷熱失超過程，其恢復(fù)時(shí)間很難滿足電網(wǎng)對斷路器重合閘的要求。

電感型SFCL實(shí)現(xiàn)通流/限流的工作原理不盡相同，有多種電路類型，如飽和鐵心型、橋路型、變壓器型、磁屏蔽型等。除利用超導(dǎo)材料的零電阻特性之外，有的還利用了超導(dǎo)材料的完全抗磁特性。有些電感型超導(dǎo)限流器也利用失超實(shí)現(xiàn)限流，因而同樣會面臨失超后及時(shí)恢復(fù)的難題。

SFCL之所以會失超的本質(zhì)原因是電網(wǎng)輸電電流直接或間接流經(jīng)超導(dǎo)通流/限流元件。為避免失超帶來的麻煩，人們開發(fā)出了幾類僅僅利用超導(dǎo)材料的零電阻特性，而不利用失超特性的SFCL，飽和鐵心型SFCL便是其中的頗具競爭優(yōu)勢的一類。飽和鐵心型SFCL原理類似于飽和鐵心電抗器，是利用磁材料磁導(dǎo)率的非線性進(jìn)行限流控制。超導(dǎo)材料在限流過程中不失超，避免了由于失超導(dǎo)致的恢復(fù)時(shí)間過長的問題。其原理清晰，結(jié)構(gòu)工藝簡單，性能可靠，利于制作大容量的限流裝置。

2.2 超導(dǎo)限流器的設(shè)計(jì)要求

SFCL的性能指標(biāo)和電網(wǎng)參數(shù)對限流器的設(shè)計(jì)及成本有影響，其中，性能指標(biāo)包括限流能力和穩(wěn)態(tài)壓降，電網(wǎng)參數(shù)主要有電網(wǎng)電壓、短路電流和穩(wěn)態(tài)額定電流。電網(wǎng)電壓、額定電流、未加入限流器時(shí)短路電流由電網(wǎng)決定，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的額定電流和限流能力對限流器的設(shè)計(jì)及成本具有較大的影響。

以飽和鐵心型SFCL為例，通常提高限流能力會導(dǎo)致鐵心體積增加和交流繞組匝數(shù)增加，后者還會導(dǎo)致直流勵(lì)磁安匝增加。而提高穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的額定電流會令直流勵(lì)磁安匝增加，并有可能導(dǎo)致鐵心體積增加。這都將較大程度地影響限流器的制作成本，其他各參數(shù)對限流器成本也有不同程度的影響。

為此，SFCL可針對不同電壓等級電網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

1）500kV以上高壓輸電網(wǎng)。針對大容量的高壓、超高壓輸電線路，系統(tǒng)阻抗較低，超導(dǎo)限流器的引入可以把短路電流的水平減低到斷路器的額定開斷容量之內(nèi)。這種情況下，SFCL的設(shè)計(jì)要著重考慮限流容量和耐受大短路電流（>50 kA）的能力。

2）220 kV高壓環(huán)網(wǎng)。對于多電源分布的高壓環(huán)網(wǎng)，由于并聯(lián)分支連接較多，總的短路電流值就非常大。對此，限制短路電流最有效的方法就是在每個(gè)電源處限制短路電流的水平。在每個(gè)電源處，短路電流的水平不高。針對這種情況，單個(gè)SFCL需要把10～20 kA的短路電流降低20%～30%。

3）分布式配電網(wǎng)。對于分布式可再生能源發(fā)電的中壓電網(wǎng)，系統(tǒng)容量相對較小，限流設(shè)備應(yīng)具有很低的穩(wěn)態(tài)阻抗以保證電壓的穩(wěn)定性。

3 超導(dǎo)限流器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

以某220 kV變電站A為例（接線圖見圖1），在建成第3臺主變后，220 kV母線短路電流將達(dá)到51.6 kA（單相接地），超過斷路器遮斷容量50 kA。其中3臺主變提供的短路電流占總短路電流的53%；同時(shí)鄰接變電站B母線短路電流也將達(dá)到38 kA，接近遮斷容量40 kA。為此有2種解決方案應(yīng)對短路電流，一是安裝限流器，二是更換變電站內(nèi)斷路器、隔離開關(guān)、阻波器等一次設(shè)備。下面比較其經(jīng)濟(jì)性。

圖1 變電站接線圖Fig.1 Wiring diagram of a substation

1）安裝超導(dǎo)限流器。A站220 kV為3/2接線，只有在主變220 kV側(cè)安裝SFCL才能有效限制短路電流。為此，在3臺主變220 kV側(cè)安裝3臺超導(dǎo)限流器，將短路電流限制在40 kA以下，使短路電流距斷路器遮斷容量50 kA有一定距離。為此可計(jì)算所需SFCL限流能力：

①每臺主變提供短路電流為：51.6×53%/3＝9.12 kA。②共需要限制51.6-40＝11.6 kA短路電流。③每臺限流器需要將短路電流9.12 kA限制到9.12-11.6/3＝5.25 kA。④要求安裝在主變中壓側(cè)的限流器能夠?qū)?.12 kA短路電流限制到5.25 kA。達(dá)到此限流能力，預(yù)計(jì)每臺限流器造價(jià)2700～2900萬元，總費(fèi)用8000～9000萬元。

2）更換2座變電站現(xiàn)有設(shè)備遮斷容量。總投資如表3所示。

表3 更換220 kV設(shè)備投資估算Tab.3 Total cost of upgrading the 220 kV equipment

由以上分析可見：

1）安裝3臺SFCL的成本略高于2個(gè)變電站短路遮斷容量升級的投資。

2）但當(dāng)出線回路較多，需更換的設(shè)備較多時(shí)，僅從初期安裝投資上看，應(yīng)用SFCL就會具有一定的經(jīng)濟(jì)性，而且隨著相關(guān)設(shè)備的增多其經(jīng)濟(jì)性將更明顯。

3）更為重要的是SFCL能夠減小短路電流，大大提升全網(wǎng)電氣設(shè)備的安全性，對主變及用電負(fù)載均有過流保護(hù)作用。這種保護(hù)效果是單純升級短路遮斷容量無法提供的。從這個(gè)角度講，應(yīng)用SFCL的聯(lián)帶經(jīng)濟(jì)效果要遠(yuǎn)優(yōu)于增加短路遮斷容量。

按照需求迫切程度及應(yīng)用場所的不同，SFCL的市場將依下述路徑逐漸展開：①220 kV SFCL將以其綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果成為其應(yīng)用的突破口；②隨著技術(shù)不斷提高及成熟，在500kV電網(wǎng)中SFCL將體現(xiàn)其不可替代性，發(fā)揮其巨大的技術(shù)優(yōu)勢，并將帶來經(jīng)濟(jì)效益；③此外，由于SFCL獨(dú)特的低阻抗優(yōu)勢，將在分布式配電網(wǎng)中得到較好的應(yīng)用，伴隨價(jià)格的走低促使在普通配電網(wǎng)中也有更進(jìn)一步的需求。

4 結(jié)語

隨著中國電網(wǎng)的快速發(fā)展，SFCL以其優(yōu)越的性能，在電網(wǎng)中有著極好的應(yīng)用前景。根據(jù)應(yīng)用場所的不同，其限流容量大、穩(wěn)態(tài)阻抗低的優(yōu)勢將表現(xiàn)在不同的設(shè)計(jì)要求上。但作為一種新型的電力設(shè)備，在大規(guī)模應(yīng)用之前，還有以下問題需要加以解決。

1）低溫系統(tǒng)可靠性。一般情況下，電力設(shè)備的可靠性要求是99.8%～99.9%，從而超導(dǎo)限流器的冷卻系統(tǒng)的可靠性應(yīng)大于99.8%。

2）與繼電保護(hù)的配合策略。隨著SFCL的應(yīng)用發(fā)展，與電網(wǎng)原有設(shè)備匹配運(yùn)行的問題變得愈來愈重要，尤其是與電網(wǎng)繼電保護(hù)相配合將是其未來發(fā)展中需要研究的重點(diǎn)問題之一。

[1]ZHANG J J,LIU Qian-jin,Christian R,et al.Investigation for new solutions for mega city power grid issues[C]//2006 China InternationalConference on Electricity Distribution,Beijing,2006:121-126.

[2]楊雄平,李力,李揚(yáng)絮,等.限制廣東電網(wǎng)短路電流運(yùn)行方案[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2009,33（7）:104-107.YANG Xiong-ping,LI Li,LI Yang-xu,et al.Shortcircuit current limiting planning in guangdong power grid[J].Automation of Electric Power Systems,2009,33（7）:104-107(in Chinese).

[3]程海輝.500/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)開環(huán)運(yùn)行分析[J].江蘇電機(jī)工程,2005,24（5）:38-40.CHENG Hai-hui.Analysis of breaking the 500/220 kV electromagnetic circuits[J].Jiangsu Electrical Engineering,2005,24（5）:38-40(in Chinese).

[4]國家電網(wǎng)公司.Q/GDW156-2006城市電力網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則[S].北京：國家電網(wǎng)公司，2006.

[5]吳罡,陸于平,花麗丹,等.分布式發(fā)電采用故障限流器對繼電保護(hù)性能的影響[J].江蘇電機(jī)工程,2007,26（2）:1-4.WU Gang,LU Yu-ping,HUA Li-dan,et al.Impact of fault current limiter to the performance of relay protection in distributed generation[J].Jiangsu Electrical Engineering,2007,26（2）:1-4(in Chinese).

[6]XIN Ying,GONG Wei-zhi,NIU Xiao-ye,et al.Development of saturated iron core HTS fault current limiters[J].IEEE Trans Appl Supercon,2007,17（2）:1760-1763.

[7]ECKROAD S.Survey of Fault Current Limiter(FCL)Technologies,1010760[R].PaloAlto:ElectricPowerResearch Institute,2005:55-61.

[8]信贏,龔偉志,高永全,等.35 kV/90 MV·A掛網(wǎng)運(yùn)行超導(dǎo)限流器結(jié)構(gòu)與性能介紹[J].稀有金屬材料與工程,2008,37（4）:275-280.XIN Ying,GONG Wei-zhi,GAO Yong-quan,et al.Introduction of 35 kV/90 MV·A saturated iron-core superconductingfaultcurrentlimiter[J].RareMetalMaterials and Engineering,2008,37（4）:275-280(in Chinese).