直流超導(dǎo)限流器實用化的技術(shù)要求

李清波，陳志偉，金 晶，陳 凡

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司汕頭供電局，廣東 汕頭 515000；2.武漢大學(xué)電氣與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430072）

0 引 言

直流輸電系統(tǒng)是實現(xiàn)長距離大容量輸電、可再生能源整合等目標(biāo)的有效方法，然而直流故障時有上升速度快、幅值大，斷路器開斷能力不足的問題，這會威脅到直流設(shè)備[1]。限制故障電流是提高整個直流系統(tǒng)可靠性的有效方法，超導(dǎo)材料具有基于零電阻和高通流能力的特性，使用超導(dǎo)材料的超導(dǎo)故障限流器（Superconducting Fault Current Limiter，SFCL） 可能是一個有效的選擇，人們提出了一些直流SFCL原理和原型。從限流方法來看，直流SFCL可以分為電阻型、電感型和混合型3種類型。

文獻[3]設(shè)計了一個電阻型SFCL，它由YBCO帶材經(jīng)串并聯(lián)組成，低壓直流系統(tǒng)的試驗表明，它可以將故障電流降低到原始值的50%。文獻[2]介紹了一種應(yīng)用于±200 kV/1.5 kA直流系統(tǒng)的電阻型SFCL。它由多個限流單元組成，這些限流單元由無感線圈串聯(lián)或并聯(lián)連接構(gòu)成，可以實現(xiàn)15 Ω的限流電阻。

電感型SFCL通常利用超導(dǎo)材料和鐵磁材料之間的電磁耦合關(guān)系來設(shè)計，可以限制直流故障電流并降低直流斷路器中的電壓應(yīng)力。文獻[3]指出，磁通耦合型SFCL有助于抑制換向電壓的降低并改善恢復(fù)特性，并設(shè)計了一種設(shè)計了一種電感型SFCL，可以限制直流故障電流的上升速率。

電感型的直流SFCL只能限制故障電流的上升階段而不能限制峰值，一些文獻提出了具有更好限流性能的阻感混合型SFCL，同時具有電感和電阻的特性?；旌蟂FCL的性能取決于其限流原理。外部電路的控制策略?？焖匍_關(guān)的操作性能以及其他因素。

本文基于直流故障暫態(tài)特性，討論了換流器、直流斷路器和直流SFCL之間的配合關(guān)系，然后研究了直流故障瞬態(tài)期間直流SFCL的限流要求，提出了一些技術(shù)指標(biāo)來評估直流SFCL的性能。

1 直流SFCL的限流要求

在直流故障暫態(tài)過程中，故障初期電流會快速增加，因此有必要限制故障電流的上升速度。故障電流的幅值與直流斷路器的最大開斷電流密切相關(guān)，因此應(yīng)限制峰值電流和持續(xù)電流，這是直流SFCL的關(guān)鍵限流要求。在故障被完全切除后的隔離階段，直流SFCL需要完全恢復(fù)到其初始狀態(tài)，在該狀態(tài)下直流SFCL能夠再次限制故障電流。

電阻型SFCL表現(xiàn)為可變電阻，在正常工作期間其電阻可以忽略不計，但在故障電流超過超導(dǎo)體的臨界電流后，超導(dǎo)體的失超特性會使其電阻會迅速增大[4]。失超后恢復(fù)到超導(dǎo)態(tài)的速度影響SFCL的恢復(fù)性能，此過程需要應(yīng)進一步研究，避免失超過程中的破壞性熱點[5]。

電感型SFCL表現(xiàn)為非線性電感。通常，SFCL的電感是由線圈和鐵芯之間的電磁耦合產(chǎn)生的。這種類型的SFCL主要難點是在故障條件下盡快產(chǎn)生較大的電感，限流器的預(yù)飽和繞組的安匝數(shù)必須設(shè)置為適當(dāng)?shù)闹?，以避免飽和，并在整個故障瞬態(tài)過程中保證其限流能力。

基于模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC）的直流系統(tǒng)由于開關(guān)頻率低、電能質(zhì)量好等優(yōu)點而受到歡迎。然而，MMC直流系統(tǒng)在故障保護、故障電流限制和故障隔離等方面面臨更大的技術(shù)挑戰(zhàn)。帶有SFCL的直流系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

SFCL安裝在換流器的出口處，以最嚴(yán)重的極間故障來考查限流器的各項性能。分別采用5Ω電阻型SFCL和30 mH電感型SFCL，直流故障電流波形如圖2所示。無限流器時，由于子電容提供的放電電流，故障發(fā)生后直流故障電流會迅速增加，峰值可達到數(shù)十千安，因此持續(xù)電流也遠高于直流負(fù)載電流。據(jù)此，根據(jù)直流故障暫態(tài)特性討論技術(shù)指標(biāo)。

1.1 動作時間ta

用ta表示SFCL對直流故障的動作時間。圖2中，故障電流在幾毫秒內(nèi)上升到很高的值，過電流會影響整個直流系統(tǒng)。顯然，直到SFCL響應(yīng)動作后，才能減小快速上升的故障電流。在中國實際的±200 kV直流系統(tǒng)中，直流斷路器可以在3 ms內(nèi)切斷故障電流[2]。如果SFCL能夠盡快響應(yīng)并在1～2 ms或更短的時間內(nèi)限制故障電流，則將大大降低直流斷路器的開斷壓力。因此，性能指標(biāo)1表示為：

圖2 不同限流條件下的故障電流波形

式中，tCB是直流斷路器的開斷時間，ta應(yīng)盡可能小，對于電阻型SFCL，ta是SFCL達到一定電阻值的失超時間；對于電感型SFCL，ta是SFCL呈現(xiàn)出高電感值的時間；對于常規(guī)的恒定電抗器，其響應(yīng)時間可以視為0 s。

1.2 故障電流上升速度k

故障電流的上升速度k是指單位時間內(nèi)故障電流上升的值，α過高將主要導(dǎo)致如下兩個問題，一個是引起直流斷路器故障不能正確觸發(fā)，另一個是由于直流故障電流超過臨界閉鎖電流而導(dǎo)致?lián)Q流器閉鎖。直流SFCL降低故障電流上升速率至關(guān)重要，因為它不僅確保換流器不會由于過電流而迅速被閉鎖，而且還為保護系統(tǒng)和斷路器提供了切斷故障的時間余量。因此，性能指標(biāo)2表示為：

式中，k是SFCL的最大故障電流上升速度；iblock是換流器的臨界閉鎖電流，一旦故障電流超過iblock，換流器將被閉鎖；iN是正常工作電流；trelay是保護繼電器的動作時間；tm是時間裕度。

圖2中，如果應(yīng)用5 Ω電阻型SFCL，則故障電流會在3～5 ms達到峰值。相比之下，如果應(yīng)用30 mH電感型SFCL，則故障電流將被限制在其峰值以下8～10 ms，因此，電感型SFCL在限制故障電流的上升速率方面具有更好的性能。

1.3 限流比率

沒有SFCL的直流故障電流的峰值非常大，可能超過直流斷路器的最大開斷能力，為了降低故障開斷的應(yīng)力，直流SFCL應(yīng)能夠?qū)⒎逯迪拗圃谥绷鲾嗦菲鞯淖畲箝_斷電流以下。性能指標(biāo)3表示為：

式中，imax[0]、imax分別是無SFCL和有SFCL的故障電流的峰值，imax越小，α值越大，直流SFCL的限流效果越好。

如果直流故障在初始階段無法隔離，則故障將進入交流側(cè)電流饋送階段。在該階段，直流故障電流為持續(xù)電流，一直存在直到交流側(cè)斷路器跳閘。在此階段中，直流SFCL應(yīng)有持續(xù)限流能力。性能指標(biāo)3還包括：

式中，is[0]、is分別是無SFCL和有SFCL的穩(wěn)定故障電流，β值越大，直流SFCL的限流效果越好。

圖2中的仿真結(jié)果表明，電感型SFCL不能限制穩(wěn)定故障電流，電阻式SFCL可以限制穩(wěn)定故障電流，但在此期間需要防止因過熱而損壞。

1.4 恢復(fù)時間tr

超導(dǎo)限流器動作后要恢復(fù)到初始狀態(tài)才能重新合閘該線路，因此直流SFCL的恢復(fù)時間應(yīng)盡可能短。提出指標(biāo)4，表示為：

式中，treclosure是直流斷路器切斷故障后的重合閘時間延遲（通常為幾百毫秒）；tr是直流SFCL的恢復(fù)時間，包括絕緣恢復(fù)時間和冷卻系統(tǒng)恢復(fù)時間。

基于以上分析，理想的直流SFCL應(yīng)嘗試整合多種限流功能以獲得最佳限流效果。如果在直流系統(tǒng)中串聯(lián)了包括電阻和電感的混合型SFCL，則限流效果如圖3所示。在直流故障的初期，SFCL有效地限制了故障電流的上升速率，降低了繼電保護的響應(yīng)速度要求和斷路器的開斷電壓應(yīng)力，然后可以通過電阻限制峰值和穩(wěn)定故障電流，以降低直流斷路器的開斷難度。

圖3 理想直流SFCL的限流波形

限于目前的技術(shù)條件，SFCL難以實現(xiàn)快速的響應(yīng)和恢復(fù)。若采用恒定電感，又會對直流系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，任何類型的直流SFCL很難同時滿足所有指標(biāo)。設(shè)計新的直流SFCL原理或拓?fù)湟詽M足直流系統(tǒng)的要求，需要進一步詳細(xì)研究。

2 結(jié) 論

本文討論了直流SFCL、直流斷路器和換流器之間的配合關(guān)系，為了滿足直流系統(tǒng)的限流要求，提出了幾種理想的直流SFCL的性能評價指標(biāo)。限流器的設(shè)計目標(biāo)應(yīng)減小其動作時間、增加其阻抗上升速率和倍數(shù)，以給保護系統(tǒng)爭取更大的相應(yīng)時間裕度，并可減小換流器的閉鎖應(yīng)力和直流斷路器的開斷難度。此外，為了保證直流系統(tǒng)的重合閘和故障后恢復(fù)功能正常，還需要SFCL有足夠的恢復(fù)速度。仿真結(jié)果驗證了這些指標(biāo)的重要性，并且任何類型的直流SFCL很難同時滿足所有指標(biāo)，在實際應(yīng)用中要根據(jù)工程需求進行取舍。