關于直流配電系統繼電保護改進方案研究

葉風彩， 姜云龍， 姜德勝， 劉禹辰

(1.中國建筑第二工程局有限公司天津分公司，天津 300000；2.國網天津市電力公司檢修公司, 天津 300143;3.國網黑龍江省電力有限公司管理培訓中心， 哈爾濱 150030；4. 國網雙鴨山供電公司，黑龍江 雙鴨山155100)

關于直流配電系統繼電保護改進方案研究

葉風彩1， 姜云龍2， 姜德勝3， 劉禹辰4

(1.中國建筑第二工程局有限公司天津分公司，天津 300000；2.國網天津市電力公司檢修公司, 天津 300143;3.國網黑龍江省電力有限公司管理培訓中心， 哈爾濱 150030；4. 國網雙鴨山供電公司，黑龍江 雙鴨山155100)

為了保證直流配電系統元件的安全性，建立了電阻型超導限流器及其數學模型，分析了電阻型超導限流器接入對直流配電系統故障特征的影響，以及限流器接入對原有繼電保護原理應用的影響，提出了基于電流峰值和暫態時間的新暫態過電流保護方案，并在PSCAD/EMTDC軟件中對所提出的保護方案進行了仿真驗證。仿真結果表明，含電阻型超導限流器的直流配電系統繼電保護改進方案能夠快速且準確切除線路故障，保證上下游線路之間的選擇性和可靠性，保證線路保護不誤動。

直流配電系統；繼電保護；電阻型超導限流器；暫態電流

隨著電力電子技術的快速發展，家用電器及工業產品的最終用電形式為直流，同時越來越多的分布式電源不斷滲透到配電網中。相對于傳統交流配電系統，直流配電系統具有供電容量大、可靠性高、損耗低、電能質量高等優點[1-8]，在未來智能配電網中必然占有重要的地位。由于電感對直流系統中穩態直流電流沒有限制作用，因此電阻型超導限流器在直流配電系統具有很好的適用性。文獻[9]根據加入限流器前后故障電流變化大小，對超導限流器在直流系統中應用的效果進行了評估，對直流系統保護的影響及改進卻沒有提及；文獻[10]依據直流系統加入超導限流器后的電流變化趨勢，研究了超導限流器在不同電壓等級直流系統中的合理的接入位置，對不同故障情況進行了仿真分析；文獻[11]研究了高溫超導體對交流配電系統暫態、穩態穩定性、重合閘以及繼電保護的影響，對系統保護方案配置有所改進。本文分析了電阻型超導限流器接入對直流配電系統故障特征的影響，以及限流器接入對原有繼電保護原理應用的影響，在此基礎上提出了改進的暫態過電流保護以及暫態電流啟動的時限低電壓保護，在仿真軟件中進行了仿真驗證，保證了上下游線路保護的配合，能夠快速且準確的切除線路故障。

1 電阻型超導限流器及其數學模型

電阻型超導限流器由超導電纜和并聯電阻組成，其等效電路模型為一個可變電阻RSFCL和緩沖電阻并聯，如圖1所示。并聯電阻的主要作用是降低故障時劇烈變化的電流引起過電壓對超導電纜造成的損害。電阻型超導限流器利用超導材料的超導態和常規電阻態的轉換來限制故障電流的增加。

圖1 電阻型SFCL結構示意圖Fig.1 Structure schematic diagram of resistor-type SFCL

當直流系統中故障發生時，電阻型超導限流器能夠在微秒級的時間內響應，限流器電阻逐漸增加，達到限制故障電流的目的。而電阻型超導限流器能夠快速響應故障電流，缺點是其失超恢復時間相對較長,不能滿足電力系統重合鬧要求。

選取超導材料Bi2212作為電阻型超導限流器的主要組成部分，那么電阻型超導限流器的轉換過程可以分為以下三個階段。

1.1 超導態

在超導態，流經超導限流器的電流密度低于臨界值，超導限流器的電阻值為零。超導電纜中電場表達式為

(1)

式中：Ec=1μV/cm，5≤α≤15；J為流經超導限流器的電流密度；Jc(T) 為臨界電流密度值，并且該臨界值主要依賴于超導材料的溫度大小。那么臨界電流密度Jc(T)的表達式為

(2)

式中:Tc為超導材料的臨界溫度，K;T0為超導材料的起始溫度。在本文中，選取參數Tc=95K，T0=77K,Jc(77)=1.5×107A/m2。

1.2 磁通流動狀態

當流經超導限流器的電流密度超過其臨界值時，超導材料就會進入磁通流動狀態，此時超導材料兩端的電場就開始增加，因而電阻型超導限流器的電阻開始增加，同時超導材料開始產生熱量，材料溫度也開始逐漸上升。由式(2)可以看出，材料溫度的增加使臨界電流密度Jc(T)進一步降低，超導材料電場會持續增加。在磁通流動狀態中，超導材料的電場表達式為

(3)

式中：E0=0.1V/m為超導材料從超導態轉換到磁通流動狀態的臨界電場，并且2≤β≤4。

1.3 常規電阻狀態

隨著超導電纜電阻逐漸增大，材料溫度逐漸上升，當材料溫度超過超導體臨界溫度時，超導限流器進入常規電阻狀態，此時限流器的電阻值主要依賴通過其的電流密度和材料溫度。在這個狀態下，超導體的電場主要和電流密度及其溫度有關。那么電場的表達式為

(4)

式中：ρ(Tc)是超導體在失超狀態下的電阻率，在本文中，該電阻率取為ρ(Tc)=1×10-6Ω·m。

在每個階段中，超導體的電阻的計算式為

(5)

式中：isc為通過超導電纜的電流；lsc為超導電纜的長度。

在電阻型超導限流器的失超過程中，熱量的傳遞及其表達式起到至關重要的作用，本文中熱量傳遞表達式為

(6)

式中：θsc=1/[κ(lsc·2πr+2S)]，κ=1.5×103W/(K·m2)；r為超導電纜的半徑，并且C=1.58TJ/(kg·K)。在本文，超導電纜的長度選擇為lsc=200 m。超導體的體密度為ρv=6 g/cm3。當所需的臨界電流選定后，超導電纜的橫截面積就可以通過S=Ic/Jc計算得到。

在電磁暫態仿真軟件PSCAD/EMTDC中構建了電阻型超導限流器的數學模型。為了限制電容快速放電電流，超導限流器的電阻值需要在電流達到峰值前增加到足夠大值。假設超導電纜的長度為200 m。在直流配電系統中，當0.5 s時發生極間短路故障時，電阻型超導限流器的阻值隨時間變化曲線如圖2所示。

從圖2可以看出，故障瞬間超導限流器能夠快速響應。隨著故障時間的持續，限流器的電阻值逐漸增大，電阻型超導限流器能夠限制直流系統中故障暫態和穩態的直流電流，極大地降低了系統及其元件的損害。

圖2 電阻型超導限流器的阻值變化曲線Fig.2 Resistance variation curve of resistive superconducting current limiter

2 電阻型超導限流器對直流配電 系統故障特征的影響

當在直流配電系統中發生直流極間短路故障時，特別是故障位置距VSC出口較近時，VSC內部的IGBT會因自身過流保護而閉鎖。由于整流器是升壓元件，即直流側電壓大于交流側電壓，因此,此時內部所有二極管會因為承受反向壓降而截止。

圖3 電阻型超導限流器未接入時的直流配電系統故障特征Fig.3 Fault characteristics of DC distribution system with no access to resistive superconducting current limiter

在這種情況下，交流系統和直流系統會出現短暫的分離，并且交流電流會下降為0。若直流配電系統中未接入超導限流器，則故障位置距離VSC出口較近時，其故障過程可以分為四個階段。其中，當系統中發生金屬性極間短路故障時，電阻型超導限流器接入前后故障電壓、電流變化趨勢分別如圖3、4所示。

圖4 電阻型超導限流器接入后直流配電系統故障特征Fig.4 Fault characteristics of DC distribution system with access to resistive superconducting current limiter

第一階段：即故障的初始階段。當電阻型超導限流器接入且所有IGBT閉鎖時，直流側就由電容、直流電纜和限流器組成故障放電回路。在這個階段，直流電壓開始下降，并且直流電流在達到最大值后開始下降。等效電路如圖5所示。

圖5 故障初始階段直流配電系統等效電路圖Fig.5 Equivalent circuit of DC distribution system at initial stage of fault

由圖5可知，直流側電壓、電流計算公式為

(7)

式中：idc為等效回路直流側電流；udc為電容兩端的直流電壓；C為支撐電容的電容值；R和L是從VSC出口到故障點處的直流電纜的等效參數；RSFCL為超導限流器的電阻值，而且是非線性變化的。使用微分方程的數值解法可知，直流電壓的下降率和直流電流都有很大減少。第一階段的電壓、電流波形如圖4所示。

第二階段：隨著直流電壓的下降，當直流電壓下降到小于交流電壓峰值時，VSC中的二極管開始導通。同時，交流電流從零開始增長，故障逐漸向穩態過渡。在這一階段，電容放電還是起主要作用，是故障電流的主要組成部分。系統的等效電路和系統在穩態的等效電路相同，如圖6所示。第二階段的電壓、電流波形如圖4所示。

圖6 不控整流橋電路Fig.6 Uncontrolled rectifier circuit

第三、四階段：該階段的出現直接和故障回路的阻尼特性有關。當故障回路呈現過阻尼特性時，第三、四階段將不再出現。而電阻型超導限流器的接入不僅能夠限制電容放電的速率及其峰值，還可以改善電路的阻尼特性，使交流系統不再出現等效三相短路。從這個角度來講，電阻型超導限流器能夠同時限制整流器交流側和直流側兩端的電流，使系統運行更加安全。同時，可以相應降低系統中使用的直流斷路器的遮斷容量，切除故障。

穩態階段：在直流極間短路故障的穩態階段，VSC變為一個不控整流橋，結構如圖6所示。此時，輸出的直流電壓大小直接受二極管導通角影響，直流電壓在(2.34～2.45)U變化，其中U是交流相電壓的有效值。

電阻型超導限流器的阻值遠大于直流電纜的阻抗，以下分析可以忽略直流電纜的影響。二極管的導通角僅受到交流側等效電感和ωRC的影響，二極管的導通角和ωRC的關系如圖7所示。

圖7 二極管導通角與RC關系曲線Fig.7 Relationship curve between diode conduction angle and RC

綜上所述，結合圖3、4，當系統接入電阻型超導限流器后，直流電流峰值從14kA 降低至2.20kA，減少了約84.3%。由于電阻型超導限流器能夠在微秒級響應電流的變化，因此直流電流峰值可以很快被限制。在故障穩態，電阻型限流器的接入，穩態交流電流和直流電流均被限制在一個較低的水平，此時直流電流被限制接近0.3kA，甚至小于系統正常工作時的電流值。此外，電阻型超導限流器的接入也限制了直流電壓的降低，直流電壓的下降率也大大減小；直流電壓的穩態值也從原來的不到1kV提高到4.4kV，大約提高了77%；直流電壓在故障過程中一直保持在較高的數值，使原有故障的第三階段消失，即電阻型超導限流器克服了交流側出現等效三相短路的情況。在這種情況下，對于不同位置的故障，直流電壓的穩態值變化很小，接近同一值。

3 含電阻型超導限流器的直流配電 系統繼電保護方案的改進

3.1 改進暫態過電流保護原理

通過仿真得到故障位置和線路直流電流峰值的關系曲線，如圖8所示。從圖8中可以看出，當電阻型超導限流器接入系統后，故障電流峰值與極間短路故障位置存在近似線性的關系。這是由于在故障時電阻型限流器不會改變電流的上升速率，只會改變峰值，而限流器的阻值相對線路阻抗較大，起到決定性作用，線路阻抗變化認為是線性的，因此故障電流峰值會呈現線性變化的特征。隨著故障距離的增加，直流電流峰值卻下降較少，從接近VSC出口故障到30km處故障，電流峰值只從2.4 kA下降至1.9 kA，電流峰值的區分度太小，難以應用于過電流保護中。當電阻型超導限流器接入后，故障穩態電壓隨故障位置的改變而變化較小，低電壓保護也無法直接應用于直流配電系統，需要改進。

圖8 故障位置和故障電流峰值關系曲線Fig.8 Relationship curve between fault location and peak current

圖9 故障電流到達峰值所用時間和故障位置關系曲線Fig.9 Relationship curve between time intervals and fault location when in peak value of fault current

通過大量仿真可以看出，直流故障電流到達峰值所用的時間隨著故障位置的不同會發生較大的變化，故障電流到達峰值所用時間和故障位置關系曲線如圖9所示。這是由于電阻型限流器對故障電流的削峰作用，限制了電流的上升，電流的變化率只與線路電感有關，線路電感是線性變化的，因此，電流到達峰值的時間也會線性變化。若將電流峰值和到達峰值所用時間的比值應用于保護，則靈敏性和可靠性就可以得到滿足，故障電流到達峰值所用時間和故障位置關系曲線如圖10所示。

圖10 故障電流到達峰值所用時間和故障位置關系曲線Fig.10 Relationship curve between time intervals and fault location when in peak value of fault current

3.2 暫態過電流保護

在電阻型超導限流器接入的條件下，暫態過電流保護的整定原則就是電流峰值與到達峰值所用時間的比值大于線路末端發生極間短路故障時的故障電流峰值與其時間之比。動作判據式為

(8)

保護門檻值為

(9)

3.3 暫態電流啟動的限時低電壓保護

限時過電流保護通過時延和下游線路保護進行配合。在直流配電系統中，該時間延遲可以為0.1 s或者更長，主要是考慮到與下游線路保護的配合以及直流斷路器的動作時間。當電阻型超導限流器接入后，故障后0.1 s時，故障電流已經到達穩態，此時故障電流值非常接近正常工作電流。傳統的限時過電流保護不能直接應用于含有電阻型超導限流器的直流配電系統。

當直流配電系統故障后0.1s時，直流電壓已經降低到一個相對很低的水平。當電阻型超導限流器接入后，故障穩態電壓隨故障位置的改變而變化較小，低電壓保護單獨無法保證選擇性。如果把暫態過電流保護和低電壓保護相結合，即稱為暫態電流啟動的限時低電壓保護，就可以保證保護的四性。這類保護依舊保護線路全長，保護范圍不能超過下游線路的暫態電流保護范圍。該保護通過時間延遲和下游線路保護進行配合。其啟動值為暫態電流保護的門檻值，該啟動值可以保證保護的選擇性，在經過一定的時間延遲后，直流斷路器是否動作是由低電壓保護決定的。保護動作判據條件為

(10)

門檻值為

(11)

(12)

(13)

4 繼電保護改進方案仿真驗證

在PSCAD/EMTDC軟件中搭建含有電阻型超導限流器的直流配電系統，如圖11所示。當仿真設置在0.5 s時，直流線路不同位置發生金屬性極間短路故障，每段線路長度為10 km。每條線路均接有一定負載。在正常工作狀態下，各條線路通過的電流大小為Iline1=0.35 kA，Iline2=0.252 kA，Iline3=0.157 kA。

由于線路3是該直流配電系統的末端線路，因此傳統的過電流保護就可以滿足系統對線路3的需求，即線路3的保護整定值為正常最大工作電流的3～10倍，瞬時過電流保護應當是保護線路3的全長。在這種情況下，時限過電流保護就作為線路3的后備保護。以上提出的保護方案在如圖11所示的系統中進行了仿真驗證，驗證了本文提出的含電阻型超導限流器的直流配電系統繼電保護改進方案能夠快速且準確切除線路故障的有效性。暫態電流保護可以保護線路長度的80%，可以無延時動作。

隨著故障位置的遠離，故障電流的上升速度也相應降低，暫態電流保護的動作在遠距離線路的動作時間會相應變長，可以滿足系統對保護速動性的要求。此外，暫態電流啟動的時限低電壓保護可以通過時間延遲保護線路全長。該保護能夠在故障后的0.2 s左右動作切除故障。該保護雖然動作相對緩慢，能夠保證上下游線路之間的選擇性和可靠性，保證線路保護不誤動。因此，對于電阻型超導限流器接入的直流配電系統，該保護方案能夠在短時間內切除系統饋線故障，保證上下游線路保護的配合；該保護存在一定的不足，即過電流保護對過渡電阻較為敏感，該分析方法是在系統發生金屬性極間短路的情況下進行的，如果故障過渡電阻發生變化，就會直接影響保護動作時間及其可靠性。此外，對于含有分布式電源接入的直流配電系統而言，該暫態電流保護不帶有方向性，不能滿足多端電源系統，無法應用，需要就過渡電阻不同的情況進行更深入的研究。

圖11 電阻型超導限流器接入的直流配電系統結構圖Fig.11 Structure diagram of DC distribution system with access to resistive superconducting current limiter

5 結 語

電阻型超導限流器在直流配電系統中具有很好的限流效果，極其適合具有高上升速率和數值較大的系統。然而電阻型超導限流器的接入對系統原有繼電保護的配合產生了較大的影響。本文在詳細分析了電阻型超導限流器對直流配電系統故障特性和保護的影響基礎上，提出了暫態電流保護和暫態電流啟動的時限低電壓保護方法，并在PSCAD/EMTDC軟件中對所提出的保護原理進行了仿真驗證。仿真結果表明該含電阻型超導限流器的直流配電系統繼電保護改進方案能夠很好的保證上下游線路保護的配合。但是，過渡電阻變化的故障情況還需要進一步深入研究。

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(編輯 侯世春)

Research on improvement scheme of relay protection in DC distribution system

YE Fengcai1, JIANG Yunlong2, JIANG Desheng3, LIU Yuchen4

(1. China Construction Second Engineering Bureau Co., Ltd., Tianjin Branch, Tianjin 300000, China; 2. State Grid Tianjin Electric Power Overhaul & Operation, Tianjin 300143, China; 3. Management Training Center of state Grid Heilongjiang Electric Power Co.,Ltd., Harbin 150030, China; 4. State Grid Shuangyashan Electric Power Supply Company, Shuangyashan 155100, China)

In order to ensure the safety of DC distribution system components, a resistive superconducting current limiter and its mathematical model are established. The influence of the access to the resistive superconducting current limiter on the fault characteristics of the DC distribution system is analyzed. The new transient overcurrent protection scheme based on current peak and transient time is proposed, and the proposed protection scheme is simulated in PSCAD/EMTDC software. The The simulation results show that the relay protection improvement scheme of the DC distribution system with resistive superconducting current limiter can quickly and accurately remove the line fault and ensure the selectivity and reliability between the upstream and downstream routes and no-malfunction of the line protection.

DC distribution system; relay protection; resistive superconducting current limiter; transient current

2017-01-04;

2017-05-15。

葉風彩(1989—)，女，助理工程師，研究方向為BIM技術在建筑行業的應用。

TM772

A

2095-6843(2017)03-0229-06