超導限流器與電力系統繼電保護配合問題研究

崔東紅

摘 要 隨著我國經濟的快速發展，工業發展用電和人們的生活用電需求不斷增加，這也造成了電網短路電流水平和電網短路容量不斷增長。短路電流會對電氣設備的安全運行產生直接的影響，因此，限流器成為解決這一問題的有效方法。其中，超導限流器以其相應快、損耗小的特點，成為最具有潛力的限流器設備。文章主要對超導限流器和電力系統繼電保護的配合問題進行了研究，從實際情況出發提出了解決問題的新思路。

關鍵詞 超導限流器；電力系統；繼電保護；配合

中圖分類號：TM712 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0029-02

隨著我國經濟的快速發展，工業發展用電和人們的生活用電需求不斷增加，我國的電網容量不斷增長，這在很大程度上增大了故障電流的水平。電力系統中的電網短路故障會對電氣設備的運行安全造成直接的威脅，嚴重影響到電力系統的供電可靠性和穩定性。傳統處理措施都存在這一定的缺陷，因此，相關專家提出了以超導技術為基礎的限流器技術。電力系統中超導限流器的應用要以超導限流器與電力系統繼電保護的配合為前提。本文正是針對這個問題，對超導限流器和電力系統繼電保護的配合問題進行了研究。

1 超導限流器簡介

超導限流器主要是基于超導體正常態和超導態的轉變這一物理特性，以及其他輔助部件的配合，使得線路出現故障以后產生一個阻抗來達到限流作用。一旦故障線路開斷或者消除故障后，超導限流器就會自動復位。超導限流器主要包括如下幾個特點：①在正常情況下。超導限流器只呈現一個較小的阻抗或零阻抗，因而能夠通過較大的電流。只有在發生短路故障的情況下才會呈現大阻抗的狀態；②超導限流器能夠自動觸發，故障消除后還能夠自動復位，另外，還具有觸發、限流和檢測的功能；③超導限流器的反應速度很快，能夠達到毫秒級。

由于超導限流器集觸發、限流和檢測功能于一身，是一種理想的故障限流裝置，能夠保障電力系統的安全穩定運行。目前超導限流器已經得到了廣泛的發展。

2 超導限流器與電力系統繼電保護的有效配合

電力系統的繼電保護主要是指通過對電力系統中的故障狀態進行反應，并向斷路器發送信號進行跳閘操作。超導限流器能夠通過輔助電路變換不同的阻抗狀態，進而對繼電保護裝置產生作用。這里，我們主要從如下兩個方面對超導限流器與電力系統繼電保護的配合問題進行探討。

圖1 方向阻抗繼電器的動作圓

1）超導限流器與距離保護的配合。

①應用超導限流器后對距離保護造成的影響。根據方向阻抗繼電器（如圖1）的基本特性可以知道，圓內、外分別表示動作區和非動作區。

發生故障的時候，超導限流器的直流側由于R與L的投入，阻抗值可能會超過動作圓的最大范圍，從而導致出現距離保護拒動的情況。因此，加入超導限流器后會在一定程度上降低保護靈敏度。

②解決方案。為了消除限流器對距離保護造成的影響，本文主要針對相間短路和對地短路故障，對距離保護的解決方案進行說明：根據實際情況分析，在穩態情況下限流器兩端的電壓不可能為零，因此可以設定一個門限值Uth。通過比較限流器兩端的電壓U與Uth就可以完成對超導限流器的狀態判斷；如果U>Uth，那么限流器電阻和電感就會被串入到線路中，然后再根據相間故障和對地故障對阻抗值進行計算。

由于超導限流器的阻抗時變性特點，需要首先分析限流器阻抗的特性，然后分析對繼電保護的影響，這個過程非常復雜，而且和實際情況下的繼保實現方式不符。因此，要把限流器的瞬態參數添加到繼電保護器的電力模型中，然后通過對算法中的參數和計算方式進行修正，就能夠有效消除限流器對距離保護造成的不良影響。另外，該過程對硬件裝置的改動不大，只需要進行軟件上的修改，因此實現起來非常方便，簡單易行。

2）超導限流器與零序保護的配合。

①應用超導限流器后對零序保護造成的影響。電力系統出現接地短路后，可以使用對稱分量法把電壓和電流分解成零序、正序和負序分量，它們的關系可以使用復合序網表示。而對于零序電流和電壓的方向，一般將母線流向設為電流正向，將線路上大于地面的電壓設為電壓正向。

通過分析可知，加入超導限流器后，會對原來的電力系統中的零序網絡產生一定的影響，即故障期間限流電感和限流電阻都會周期性的投入。而各個超導限流器相互之間也無互感，導致限流器零序阻抗和正序相同。

限流電阻和電感的投入都會在一定程度上降低測量零序電壓和電流，從而顯著縮短零序電流的保護范圍和保護靈敏度，甚至發生故障后繼電器出現拒動的現象。

②解決方法。解決超導限流器和零序保護的思路主要是對保護算法進行改進，以消除限流器造成的影響，使加入限流器后的效果和不存在限流器時相同。

在零序保護過程中，主要通過算法的改進保證零序電流不發生變化。處理方式如下。

假設故障點零序電壓用u表示，沒有加入限流器的零序電流用i1表示，而加入限流器后的零序電流用i表示，這樣就可以得到：

（1）

（2）

上式相減可以得到：

（3）

其中，id表示加入和未加限流器時的零序電流差值，通過對（1）式求解可以求得id，進而還原出不存在限流器時的零序電流i1。

上述算法在計算時需要將測得的零序電流恢復到不存在限流器時的值，因此計算過程相對復雜，無法滿足繼電保護的動作即時性要求。對于這個問題，我們根據零序保護的基本特點，采用分段保護的方式來恢復零序電壓，這樣能夠有效消除限流器的影響。通過實際仿真發現，該方法能夠保證保護范圍內的繼電保護動作的及時性和有效性，同時處理過程比較簡單，實現起來也非常方便。

3 結論

電力系統中的短路故障會對電氣設備的正常運行造成很大的危害，設置導致電網系統的崩潰。因此，加強對超導限流技術的研究，對保證電力系統的安全穩定運行具有積極的意義。其中，最主要的研究方向就是超導限流裝置和電力系統繼電保護的協調運行問題，研究內容則分布在超導限流器與電力系統繼電保護的相互作用和影響方面。本文針對上述內容進行了一些有針對性的討論，希望能夠對未來超導限流器的發展提供一定的幫助。

參考文獻

[1]葉鶯，肖立業.超導故障限流器的應用研究新進展[J].電力系統自動化，2005（13）.

[2]張晚英，周有慶，趙偉明，等.新型混合型高溫超導限流器的仿真研究[J].湖南大學學報（自然科學版），2008（03）.

[3]周雪松，徐曉寧，馬幼捷，等.超導故障限流器對繼電保護的影響[J].中國電力，2007（03）.endprint

摘 要 隨著我國經濟的快速發展，工業發展用電和人們的生活用電需求不斷增加，這也造成了電網短路電流水平和電網短路容量不斷增長。短路電流會對電氣設備的安全運行產生直接的影響，因此，限流器成為解決這一問題的有效方法。其中，超導限流器以其相應快、損耗小的特點，成為最具有潛力的限流器設備。文章主要對超導限流器和電力系統繼電保護的配合問題進行了研究，從實際情況出發提出了解決問題的新思路。

關鍵詞 超導限流器；電力系統；繼電保護；配合

中圖分類號：TM712 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0029-02

隨著我國經濟的快速發展，工業發展用電和人們的生活用電需求不斷增加，我國的電網容量不斷增長，這在很大程度上增大了故障電流的水平。電力系統中的電網短路故障會對電氣設備的運行安全造成直接的威脅，嚴重影響到電力系統的供電可靠性和穩定性。傳統處理措施都存在這一定的缺陷，因此，相關專家提出了以超導技術為基礎的限流器技術。電力系統中超導限流器的應用要以超導限流器與電力系統繼電保護的配合為前提。本文正是針對這個問題，對超導限流器和電力系統繼電保護的配合問題進行了研究。

1 超導限流器簡介

超導限流器主要是基于超導體正常態和超導態的轉變這一物理特性，以及其他輔助部件的配合，使得線路出現故障以后產生一個阻抗來達到限流作用。一旦故障線路開斷或者消除故障后，超導限流器就會自動復位。超導限流器主要包括如下幾個特點：①在正常情況下。超導限流器只呈現一個較小的阻抗或零阻抗，因而能夠通過較大的電流。只有在發生短路故障的情況下才會呈現大阻抗的狀態；②超導限流器能夠自動觸發，故障消除后還能夠自動復位，另外，還具有觸發、限流和檢測的功能；③超導限流器的反應速度很快，能夠達到毫秒級。

由于超導限流器集觸發、限流和檢測功能于一身，是一種理想的故障限流裝置，能夠保障電力系統的安全穩定運行。目前超導限流器已經得到了廣泛的發展。

2 超導限流器與電力系統繼電保護的有效配合

電力系統的繼電保護主要是指通過對電力系統中的故障狀態進行反應，并向斷路器發送信號進行跳閘操作。超導限流器能夠通過輔助電路變換不同的阻抗狀態，進而對繼電保護裝置產生作用。這里，我們主要從如下兩個方面對超導限流器與電力系統繼電保護的配合問題進行探討。

圖1 方向阻抗繼電器的動作圓

1）超導限流器與距離保護的配合。

①應用超導限流器后對距離保護造成的影響。根據方向阻抗繼電器（如圖1）的基本特性可以知道，圓內、外分別表示動作區和非動作區。

發生故障的時候，超導限流器的直流側由于R與L的投入，阻抗值可能會超過動作圓的最大范圍，從而導致出現距離保護拒動的情況。因此，加入超導限流器后會在一定程度上降低保護靈敏度。

②解決方案。為了消除限流器對距離保護造成的影響，本文主要針對相間短路和對地短路故障，對距離保護的解決方案進行說明：根據實際情況分析，在穩態情況下限流器兩端的電壓不可能為零，因此可以設定一個門限值Uth。通過比較限流器兩端的電壓U與Uth就可以完成對超導限流器的狀態判斷；如果U>Uth，那么限流器電阻和電感就會被串入到線路中，然后再根據相間故障和對地故障對阻抗值進行計算。

由于超導限流器的阻抗時變性特點，需要首先分析限流器阻抗的特性，然后分析對繼電保護的影響，這個過程非常復雜，而且和實際情況下的繼保實現方式不符。因此，要把限流器的瞬態參數添加到繼電保護器的電力模型中，然后通過對算法中的參數和計算方式進行修正，就能夠有效消除限流器對距離保護造成的不良影響。另外，該過程對硬件裝置的改動不大，只需要進行軟件上的修改，因此實現起來非常方便，簡單易行。

2）超導限流器與零序保護的配合。

①應用超導限流器后對零序保護造成的影響。電力系統出現接地短路后，可以使用對稱分量法把電壓和電流分解成零序、正序和負序分量，它們的關系可以使用復合序網表示。而對于零序電流和電壓的方向，一般將母線流向設為電流正向，將線路上大于地面的電壓設為電壓正向。

通過分析可知，加入超導限流器后，會對原來的電力系統中的零序網絡產生一定的影響，即故障期間限流電感和限流電阻都會周期性的投入。而各個超導限流器相互之間也無互感，導致限流器零序阻抗和正序相同。

限流電阻和電感的投入都會在一定程度上降低測量零序電壓和電流，從而顯著縮短零序電流的保護范圍和保護靈敏度，甚至發生故障后繼電器出現拒動的現象。

②解決方法。解決超導限流器和零序保護的思路主要是對保護算法進行改進，以消除限流器造成的影響，使加入限流器后的效果和不存在限流器時相同。

在零序保護過程中，主要通過算法的改進保證零序電流不發生變化。處理方式如下。

假設故障點零序電壓用u表示，沒有加入限流器的零序電流用i1表示，而加入限流器后的零序電流用i表示，這樣就可以得到：

（1）

（2）

上式相減可以得到：

（3）

其中，id表示加入和未加限流器時的零序電流差值，通過對（1）式求解可以求得id，進而還原出不存在限流器時的零序電流i1。

上述算法在計算時需要將測得的零序電流恢復到不存在限流器時的值，因此計算過程相對復雜，無法滿足繼電保護的動作即時性要求。對于這個問題，我們根據零序保護的基本特點，采用分段保護的方式來恢復零序電壓，這樣能夠有效消除限流器的影響。通過實際仿真發現，該方法能夠保證保護范圍內的繼電保護動作的及時性和有效性，同時處理過程比較簡單，實現起來也非常方便。

3 結論

電力系統中的短路故障會對電氣設備的正常運行造成很大的危害，設置導致電網系統的崩潰。因此，加強對超導限流技術的研究，對保證電力系統的安全穩定運行具有積極的意義。其中，最主要的研究方向就是超導限流裝置和電力系統繼電保護的協調運行問題，研究內容則分布在超導限流器與電力系統繼電保護的相互作用和影響方面。本文針對上述內容進行了一些有針對性的討論，希望能夠對未來超導限流器的發展提供一定的幫助。

參考文獻

[1]葉鶯，肖立業.超導故障限流器的應用研究新進展[J].電力系統自動化，2005（13）.

[2]張晚英，周有慶，趙偉明，等.新型混合型高溫超導限流器的仿真研究[J].湖南大學學報（自然科學版），2008（03）.

[3]周雪松，徐曉寧，馬幼捷，等.超導故障限流器對繼電保護的影響[J].中國電力，2007（03）.endprint

摘 要 隨著我國經濟的快速發展，工業發展用電和人們的生活用電需求不斷增加，這也造成了電網短路電流水平和電網短路容量不斷增長。短路電流會對電氣設備的安全運行產生直接的影響，因此，限流器成為解決這一問題的有效方法。其中，超導限流器以其相應快、損耗小的特點，成為最具有潛力的限流器設備。文章主要對超導限流器和電力系統繼電保護的配合問題進行了研究，從實際情況出發提出了解決問題的新思路。

關鍵詞 超導限流器；電力系統；繼電保護；配合

中圖分類號：TM712 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0029-02

隨著我國經濟的快速發展，工業發展用電和人們的生活用電需求不斷增加，我國的電網容量不斷增長，這在很大程度上增大了故障電流的水平。電力系統中的電網短路故障會對電氣設備的運行安全造成直接的威脅，嚴重影響到電力系統的供電可靠性和穩定性。傳統處理措施都存在這一定的缺陷，因此，相關專家提出了以超導技術為基礎的限流器技術。電力系統中超導限流器的應用要以超導限流器與電力系統繼電保護的配合為前提。本文正是針對這個問題，對超導限流器和電力系統繼電保護的配合問題進行了研究。

1 超導限流器簡介

超導限流器主要是基于超導體正常態和超導態的轉變這一物理特性，以及其他輔助部件的配合，使得線路出現故障以后產生一個阻抗來達到限流作用。一旦故障線路開斷或者消除故障后，超導限流器就會自動復位。超導限流器主要包括如下幾個特點：①在正常情況下。超導限流器只呈現一個較小的阻抗或零阻抗，因而能夠通過較大的電流。只有在發生短路故障的情況下才會呈現大阻抗的狀態；②超導限流器能夠自動觸發，故障消除后還能夠自動復位，另外，還具有觸發、限流和檢測的功能；③超導限流器的反應速度很快，能夠達到毫秒級。

由于超導限流器集觸發、限流和檢測功能于一身，是一種理想的故障限流裝置，能夠保障電力系統的安全穩定運行。目前超導限流器已經得到了廣泛的發展。

2 超導限流器與電力系統繼電保護的有效配合

電力系統的繼電保護主要是指通過對電力系統中的故障狀態進行反應，并向斷路器發送信號進行跳閘操作。超導限流器能夠通過輔助電路變換不同的阻抗狀態，進而對繼電保護裝置產生作用。這里，我們主要從如下兩個方面對超導限流器與電力系統繼電保護的配合問題進行探討。

圖1 方向阻抗繼電器的動作圓

1）超導限流器與距離保護的配合。

①應用超導限流器后對距離保護造成的影響。根據方向阻抗繼電器（如圖1）的基本特性可以知道，圓內、外分別表示動作區和非動作區。

發生故障的時候，超導限流器的直流側由于R與L的投入，阻抗值可能會超過動作圓的最大范圍，從而導致出現距離保護拒動的情況。因此，加入超導限流器后會在一定程度上降低保護靈敏度。

②解決方案。為了消除限流器對距離保護造成的影響，本文主要針對相間短路和對地短路故障，對距離保護的解決方案進行說明：根據實際情況分析，在穩態情況下限流器兩端的電壓不可能為零，因此可以設定一個門限值Uth。通過比較限流器兩端的電壓U與Uth就可以完成對超導限流器的狀態判斷；如果U>Uth，那么限流器電阻和電感就會被串入到線路中，然后再根據相間故障和對地故障對阻抗值進行計算。

由于超導限流器的阻抗時變性特點，需要首先分析限流器阻抗的特性，然后分析對繼電保護的影響，這個過程非常復雜，而且和實際情況下的繼保實現方式不符。因此，要把限流器的瞬態參數添加到繼電保護器的電力模型中，然后通過對算法中的參數和計算方式進行修正，就能夠有效消除限流器對距離保護造成的不良影響。另外，該過程對硬件裝置的改動不大，只需要進行軟件上的修改，因此實現起來非常方便，簡單易行。

2）超導限流器與零序保護的配合。

①應用超導限流器后對零序保護造成的影響。電力系統出現接地短路后，可以使用對稱分量法把電壓和電流分解成零序、正序和負序分量，它們的關系可以使用復合序網表示。而對于零序電流和電壓的方向，一般將母線流向設為電流正向，將線路上大于地面的電壓設為電壓正向。

通過分析可知，加入超導限流器后，會對原來的電力系統中的零序網絡產生一定的影響，即故障期間限流電感和限流電阻都會周期性的投入。而各個超導限流器相互之間也無互感，導致限流器零序阻抗和正序相同。

限流電阻和電感的投入都會在一定程度上降低測量零序電壓和電流，從而顯著縮短零序電流的保護范圍和保護靈敏度，甚至發生故障后繼電器出現拒動的現象。

②解決方法。解決超導限流器和零序保護的思路主要是對保護算法進行改進，以消除限流器造成的影響，使加入限流器后的效果和不存在限流器時相同。

在零序保護過程中，主要通過算法的改進保證零序電流不發生變化。處理方式如下。

假設故障點零序電壓用u表示，沒有加入限流器的零序電流用i1表示，而加入限流器后的零序電流用i表示，這樣就可以得到：

（1）

（2）

上式相減可以得到：

（3）

其中，id表示加入和未加限流器時的零序電流差值，通過對（1）式求解可以求得id，進而還原出不存在限流器時的零序電流i1。

上述算法在計算時需要將測得的零序電流恢復到不存在限流器時的值，因此計算過程相對復雜，無法滿足繼電保護的動作即時性要求。對于這個問題，我們根據零序保護的基本特點，采用分段保護的方式來恢復零序電壓，這樣能夠有效消除限流器的影響。通過實際仿真發現，該方法能夠保證保護范圍內的繼電保護動作的及時性和有效性，同時處理過程比較簡單，實現起來也非常方便。

3 結論

電力系統中的短路故障會對電氣設備的正常運行造成很大的危害，設置導致電網系統的崩潰。因此，加強對超導限流技術的研究，對保證電力系統的安全穩定運行具有積極的意義。其中，最主要的研究方向就是超導限流裝置和電力系統繼電保護的協調運行問題，研究內容則分布在超導限流器與電力系統繼電保護的相互作用和影響方面。本文針對上述內容進行了一些有針對性的討論，希望能夠對未來超導限流器的發展提供一定的幫助。

參考文獻

[1]葉鶯，肖立業.超導故障限流器的應用研究新進展[J].電力系統自動化，2005（13）.

[2]張晚英，周有慶，趙偉明，等.新型混合型高溫超導限流器的仿真研究[J].湖南大學學報（自然科學版），2008（03）.

[3]周雪松，徐曉寧，馬幼捷，等.超導故障限流器對繼電保護的影響[J].中國電力，2007（03）.endprint