超導限流器在解決電網短路電流中的應用分析

舒彬，陳志莉，任安林，信贏

（1.北京電力技術經濟研究院，北京100055；2.北京云電英納超導電纜有限公司，北京100176）

京津塘、長三角、珠三角的電網均屬于受端電網，受端系統內負荷高度集中，同時電源建設向著電廠布局集中化、單機容量大型化方向發展，使得系統容量迅速擴張，系統短路電流也越來越大。在一些大型城市，如北京、廣州等負荷密集地區的樞紐變電站，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以下等級的電網中，短路電流不僅增加了電網投資（更換或選用更大容量、更貴的設備），同時對現有運行設備也將造成大的沖擊[1]。而且，隨著風電、太陽能等新能源的快速發展，電網結構愈來愈復雜，存在多個站點短路電流同時超標的問題。

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

傳統的限流技術已不能滿足電網發展需要。超導材料與技術則提供了全新的解決方案，超導限流器（Superconducting Fault Current Limiter,SFCL）具有穩態低阻、限流高阻及自動響應恢復的特性，迄今為止，利用常規技術制造的限流裝置是無法達到這樣理想的性能要求。SFCL將以其獨特的優越性成為極有發展前景和市場競爭力的新型電力設備。

1 電網短路電流問題

1.1 500kV等級輸電網

以廣東電網為例，2010年廣東珠三角地區500kV三/單相平均短路電流為45.7/44.6 kA，比2005年升高6～8 kA。根據規劃，2020年500kV變電站將達到67座。表1所示的規劃電網全合環運行時，2015年全省500kV站點平均短路電流水平為48 kA，全網短路電流水平超過63 kA的站點達到13座，短路電流最高的站點接近70 kA；2015—2020年整體短路電流水平繼續升高約5 kA，到2020年500kV電網短路電流水平超過63 kA的站點將達到17座[2]。

表1 廣東規劃電網全合環運行時短路電流水平表Tab.1 Anticipated short circuit current levels at ringclosed operation in Guangdong

考慮全合環下全網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運行要求，如廣東內環網解開運行、部分500kV線路斷開運行、部分500kV線出串或站外跳通運行等。通過采取措施后對2011—2020年廣東500kV電網短路電流進行計算，500kV電網短路電流整體水平仍然較高，部分地區仍需進一步采取措施，以控制短路電流至合理水平。

1.2 220 kV高壓環網

隨著500kV電網逐漸增強，很多地區出現了500kV/220 kV高低壓電磁環網，限制短路電流要求最迫切的時候往往出現在高低壓電磁環網運行時期。由于部分地區500kV尚未成為主干網，220 kV系統短路電流水平不斷增大。在這個過渡階段中，原有電壓等級的電網已經接近其傳輸負荷能力的極限，這正是更高一級電網出現的原因。接有更大容量機組的高壓線路的投入運行使該地區電網容量更大，聯系更緊密，從而使短路電流問題更加突出[3]。

以北京電網為例，北京電網由500kV變電站構成環網結構，220 kV樞紐變電站與500kV電網形成電磁環網，220 kV負荷變電站110 kV變電站呈放射狀網絡運行，共同形成地區主網架供電結構。

北京電網是典型的受端電網，外送電比重較高的受端電網特性使區內電力供應過度依賴于外部資源狀況，供應的主動性、安全性受到一定的挑戰。隨著華北主網及京津冀北電網結構的不斷調整，系統電源增加，電網內部聯系日益加強，北京電網220 kV母線短路電流水平逐年增大，部分地區的短路電流已經接近設備限值。

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

1.3 分布式發電系統

為了節約能源和減低CO2的排放，分布式發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，表2是國網城市電網設計導則給出的不同容量的分布式電源并網的電壓等級參照表[4]。

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

中國傳統的配電系統總體上采取了單電源、輻射式結構。分布式電源接入到配電網中，原有配電網絡的結構發生了變化，配電網中的短路電流分布明顯與不接分布式電源時不同。當配電網發生短路故障時，除了系統向故障點提供故障電流外，分布式電源也將對故障點提供故障電流。由于分布式電源有助增電流的作用，流經故障點的故障電流將增大[5]。同樣，在這種網絡中由于并聯支路較多，使得系統總阻抗較低，總的短路電流水平較高。在這種電網中，有效控制短路電流的水平具有重要的經濟性。因為在電網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，需要限制每個電源分支處的短路電流水平。這種情況下系統容量相對較小，限流設備應具有很低的阻抗以保證電壓的穩定性。

2 超導限流器在電網中的應用分析

2.1 超導限流器的技術優勢

SFCL與普通的限流裝置相比具有許多獨特的優點[6-7]：

1）在正常運行狀態下呈現較低的阻抗，可以減低故障限流設備的運行損耗，保證用戶電壓的穩定性和用電質量；

2）發生短路故障時，可以立即產生高阻抗，限制電網的故障短路電流水平；

3）可以根據電網需要進行設計，將故障電流限制在電網允許的短路電流范圍內；

4）動作快，有可能在亞毫秒級的時間內做出反應；

5）能自動觸發、自動快速復位，集檢測、觸發、限流于一體；

6）當SFCL連接在幾個互聯的系統之間，能形成穩定的電力網，保證某一系統發生故障而不至于影響整個系統的正常運行，提高系統的可靠性，而這種特性正是目前準備大力發展的節能、安全、堅強的智能電網所需要的。

此外，SFCL有多種類型，不同類型的SFCL也有其本身的優缺點。從限流器件的性質上分，SFCL可分為電阻型和電感型。電阻型超導限流器是利用電阻的變化來通流、限流的，而電感型超導限流器是利用感應電勢的變化實現通流、限流的[8]。

電阻型SFCL將超導通流/限流元件串聯在電網中。正常輸電時，超導元件處于超導狀態，電阻幾乎為0；當電網發生短路故障，短路電流超過超導通流/限流元件的超導臨界電流，該元件就會在很短的時間內失超，成為一個電阻，從而有效地限制了電流。但由于電阻型SFCL對超導材料的要求很高，制作大容量限流器的難度很大。限流時超導材料需經歷熱失超過程，其恢復時間很難滿足電網對斷路器重合閘的要求。

電感型SFCL實現通流/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。除利用超導材料的零電阻特性之外，有的還利用了超導材料的完全抗磁特性。有些電感型超導限流器也利用失超實現限流，因而同樣會面臨失超后及時恢復的難題。

SFCL之所以會失超的本質原因是電網輸電電流直接或間接流經超導通流/限流元件。為避免失超帶來的麻煩，人們開發出了幾類僅僅利用超導材料的零電阻特性，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，是利用磁材料磁導率的非線性進行限流控制。超導材料在限流過程中不失超，避免了由于失超導致的恢復時間過長的問題。其原理清晰，結構工藝簡單，性能可靠，利于制作大容量的限流裝置。

2.2 超導限流器的設計要求

SFCL的性能指標和電網參數對限流器的設計及成本有影響，其中，性能指標包括限流能力和穩態壓降，電網參數主要有電網電壓、短路電流和穩態額定電流。電網電壓、額定電流、未加入限流器時短路電流由電網決定，穩態運行時的額定電流和限流能力對限流器的設計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致鐵心體積增加和交流繞組匝數增加，后者還會導致直流勵磁安匝增加。而提高穩態運行時的額定電流會令直流勵磁安匝增加，并有可能導致鐵心體積增加。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進行設計，以達到最佳的技術經濟效果。

1）500kV以上高壓輸電網。針對大容量的高壓、超高壓輸電線路，系統阻抗較低，超導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。這種情況下，SFCL的設計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高壓環網。對于多電源分布的高壓環網，由于并聯分支連接較多，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電源處限制短路電流的水平。在每個電源處，短路電流的水平不高。針對這種情況，單個SFCL需要把10～20 kA的短路電流降低20%～30%。

3）分布式配電網。對于分布式可再生能源發電的中壓電網，系統容量相對較小，限流設備應具有很低的穩態阻抗以保證電壓的穩定性。

3 超導限流器的技術經濟分析

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%；同時鄰接變電站B母線短路電流也將達到38 kA，接近遮斷容量40 kA。為此有2種解決方案應對短路電流，一是安裝限流器，二是更換變電站內斷路器、隔離開關、阻波器等一次設備。下面比較其經濟性。

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

1）安裝超導限流器。A站220 kV為3/2接線，只有在主變220 kV側安裝SFCL才能有效限制短路電流。為此，在3臺主變220 kV側安裝3臺超導限流器，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的限流器能夠將9.12 kA短路電流限制到5.25 kA。達到此限流能力，預計每臺限流器造價2700～2900萬元，總費用8000～9000萬元。

2）更換2座變電站現有設備遮斷容量。總投資如表3所示。

表3 更換220 kV設備投資估算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個變電站短路遮斷容量升級的投資。

2）但當出線回路較多，需更換的設備較多時，僅從初期安裝投資上看，應用SFCL就會具有一定的經濟性，而且隨著相關設備的增多其經濟性將更明顯。

3）更為重要的是SFCL能夠減小短路電流，大大提升全網電氣設備的安全性，對主變及用電負載均有過流保護作用。這種保護效果是單純升級短路遮斷容量無法提供的。從這個角度講，應用SFCL的聯帶經濟效果要遠優于增加短路遮斷容量。

按照需求迫切程度及應用場所的不同，SFCL的市場將依下述路徑逐漸展開：①220 kV SFCL將以其綜合技術經濟效果成為其應用的突破口；②隨著技術不斷提高及成熟，在500kV電網中SFCL將體現其不可替代性，發揮其巨大的技術優勢，并將帶來經濟效益；③此外，由于SFCL獨特的低阻抗優勢，將在分布式配電網中得到較好的應用，伴隨價格的走低促使在普通配電網中也有更進一步的需求。

4 結語

隨著中國電網的快速發展，SFCL以其優越的性能，在電網中有著極好的應用前景。根據應用場所的不同，其限流容量大、穩態阻抗低的優勢將表現在不同的設計要求上。但作為一種新型的電力設備，在大規模應用之前，還有以下問題需要加以解決。

1）低溫系統可靠性。一般情況下，電力設備的可靠性要求是99.8%～99.9%，從而超導限流器的冷卻系統的可靠性應大于99.8%。

2）與繼電保護的配合策略。隨著SFCL的應用發展，與電網原有設備匹配運行的問題變得愈來愈重要，尤其是與電網繼電保護相配合將是其未來發展中需要研究的重點問題之一。

[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,李揚絮,等.限制廣東電網短路電流運行方案[J].電力系統自動化,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電磁環網開環運行分析[J].江蘇電機工程,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]國家電網公司.Q/GDW156-2006城市電力網規劃設計導則[S].北京：國家電網公司，2006.

[5]吳罡,陸于平,花麗丹,等.分布式發電采用故障限流器對繼電保護性能的影響[J].江蘇電機工程,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掛網運行超導限流器結構與性能介紹[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).