电阻型超导限流器在配电网合环操作中的应用研究

C-559
中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013
iloop (t ) =
sin(ωt + α − ϕ ) − ( Req + RSFCL ) 2 + ω 2 L2 eq Em −( R + R )t / L sin(α − ϕ )e eq SFCL eq 2 2 2 ( Req + RSFCL ) + ω Leq
2 电阻型 SFCL 特性
C-559
中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013
电阻型超导限流器主要由产热层（heater） 、绝缘 层 （insulator） 、 金涂层 （Au coating） 、 超导薄膜 （YBCO film）和基层（substrate）构成。当线路电流超过电阻 型超导限流器的临界电流时，过量焦耳热使超导体温 度超过临界温度转变为正常态电阻，超导限流器的状 态也由超导态转为正常态，电阻急剧增大，从而有效 抑制暂态电流幅值[4]。其等效电路模型如图 1 所示。
(t < t 0 ) ⎧0 ⎫ ⎪ ⎪ 1 ⎪ Rn [1 − exp(− t − t0 )] 2 (t0 ≤ t < t1 ) ⎪ τ ⎪ ⎪ R (t ) = ⎨ (3) a1 (t − t1 ) + b1 (t1 ≤ t < t2 ) ⎬ ⎪ ⎪ ⎪ a2 (t − t2 ) + b2 (t2 ≤ t < t3 ) ⎪ ⎪ ⎪ 0 ( t ≥ t3 ) ⎩ ⎭ 其中τ表示响应时间常数，t0分别表示失超时刻， t1、 t2、 t3分别表示失超恢复的三个关键时间点。 a1、 a2、 b1、b2为一阶线性函数的系数，用来表示由实验数据 得到的SFCL恢复特性。
中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013
电阻型超导限流器在配电网合环操作中的应用研究
李哲，邓长虹，陈磊
武汉大学电气工程学院 Email: lizhe_whu@
摘 要：配电网合环操作是优化配电网络运行条件的一种重要手段，然而合环过程中操作开关两侧电 压差过大会在环内引起较大合环电流造成继电保护装置误动，造成停电事故。本文针对此问题，提出 一种利用超导限流器抑制合环暂态过程的方法，通过在电网环内加装电阻型超导限流器，当合环电流 过大时，电阻型超导限流器自动触发，迅速失超进行限流，以此抑制合环暂态过程。文末利用 PSCAD/EMTDC 暂态仿真软件，就含电阻型超导限流器的城市配电网进行详细建模，对配电网合环过程 开展了动态仿真，仿真结果有力的验证了所提方法的有效性。 关键词：合环操作；暂态电流；电阻型超导限流器
= Em ∠α E ij 2 的初始相角。 式中 α 为合环时刻 t=0 时 E
ij
(4)
该等效电路为一阶电路，可以用三要素法进行分 析。 1)计算电流的初始值。 合环前瞬间电感上没有电流通过，所以满足下面 关系：
iloop (0 + ) = iloop (0 − ) = 0
2)计算电流稳态值
图 3-a所示为实际配电网合环模型。i、j表示联络 开关QF两侧节点，SFCL为串入环内的超导限流器，
RSFCL = RAu / / RSC =
RAu .RSC ∈ [0 Rn ] RAu + RSC
(1)
QF1、QF2分别为负荷load1、load2 的出线开关。图 3-b
为从图a经戴维南等效得到的单相合环计算模型， 本文 以A相为例进行说明。 E 为联络开关QF两侧A相电压
ij
上式中Rn为常温饱和电阻，其值大小为
R .R R n = Au SCn RAu + RSCn
(2)
差相量，Req、Leq为戴维南等效阻抗，RSFCL为超导限 为合环暂态电流相量。 流器电阻， I
loop
本文采用一种基于实验数据的数学模型[3]，电阻 型SFCL各阶段特性由下面分段函数R(t)表示。
(5) (6) (7) (8)
iloop (∞ ) = I m sin(ω t + α − ϕ )
其中：
I m = Em / ( Req + RSFCL )2 + (ω Leq )2
Rn
R/ Ω
ϕ = arctan
ω Leq
( Req + RSFCL )
3)计算电路的时间常数
τ = Leq / ( Req + RSFCL )
RAu
Busi
QF1
Bus j
QF2
+
E ij
−
Req
Leq
i
SFCL
QF
I loop
j
load1
(a)
load 2
RSFCL
(b)
QF
RSC
图 1.电阻型 SFCL 等效电路模型
图 3.配电网合环电流分析模型
其中RAu为金涂层电阻，RSC为超导薄膜层电阻， RSC∈[0 RSCn]。RSCn为超导薄膜层常温电阻。
Em
(11) (11)式结果表明， 加入SFCL后合环冲击电流的幅 值将得到抑制，同时由于本文选择的是电阻型SFCL， 当限流器失超后，相当于在原环路中串入一定值电阻 Rn， 环路总电阻增大， 而电感值不变， 时间常数τ减小， 所以暂态电流中直流分量的衰减更为迅速，暂态过程 将会明显缩短。
R/Ω
1.015
COUPLED
P+jQ
P+jQ
A V
Ea1
+
A V Ea2 P+jQ
Ia
Rs
PI SECTION
PI SECTION #1 #2
la2
#2 #3 BRK
P+jQ
COUPLED
la1
la
图 4 中开关 BRK 所在位置为合环点，合环时刻 为 1.0s,合环模型仿真结果如下：
Ia2
la 2
COUPLED PI SECTION P+jQ
在 PSCAD 软件中搭建电阻型 SFCL 仿真模块。 电阻型 SFCL 参数如下表所示：
表 1 超导限流器参数
参数 值 Rn[Ω] 4 τ 0.005 a1 -30 a2 -50 b1 4 b2 2.5
Angle/ D
电阻型 SFCL 特性仿真结果如图 5 所示：
PI SECTION PI SECTION PI SECTION PI SECTION
4 电阻型 SFCL 特性及配电网合环过程动态 仿真结果
R=0 COUPLED PI SECTION
P+jQ
#2
#3
P+jQ COUPLED PI SECTION P+jQ
#1
#1
COUPLED
PI SECTION
#2 #3
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
la la1
P+jQ
P+jQ
P+jQ #1
COUPLED #1 #2 Ia1
COUPLED COUPLED COUPLED COUPLED P+jQ P+jQ
COUPLED PI SECTION COUPLED
PI SECTION COUPLED P+jQ PI SECTION BRK1 COUPLED PI SECTION P+jQ Ea
Δu / kV
4.1 电阻型 SFCL 特性仿真
t/s
图 5.电阻型 SFCL 特性仿真曲线
4.2 配电网合环过程动态仿真
在 PSCAD/EMTDC 软件中搭建配电网络合环模 型，模型详细参数见文献[5]。
表 2 变压器 10kV 侧电流保护设定值
保护位置 保护类型 过流Ⅰ段 15A 25A 25A 过流Ⅱ段 7A 8A 8A 保护变比 500/5 400/5 400/5
Study of resistor type superconducting fault current limiter in closing loop operation in distribution network
Li Zhe，Deng Changhong，Chen Lei
School of Electrical Engineering, Wuhan University Email: lizhe_whu@
1 引言
目前国内配电网一般采用闭环设计、开环运行的 供电方式。在倒负荷或线路检修时，通过合、解环操 作可以减少停电时间，提高供电可靠性，但配电网合 环瞬间有可能产生较大的冲击电流，而整个环路呈感 性，合环至稳态是一个振荡衰减的暂态过程[1]。此过 程中暂态电流的存在有可能引起环路内开关的误动 作，引发新的停电事故。通过减小开关两侧的电压差 可以有效减小合环电流幅值，目前使用的方法包括调 整变压器分接头，投切电容器补偿，改变功率分布减 小合环潮流[2]等，这些方法采用机械操作，调整时间 较慢，需要人工操作，增加了操作复杂性，同时上述 方法调节范围有限。 在过去的很多年里，利用超导体特性的技术在很
4)计算电路电流
(9)
0
t0
t /s
t1
t2
t3
iloop (t ) = iloop (∞) + [iloop (0+ ) − iloop (∞)
t = 0+
]e−t τ
(10)
图 2.SFCL 的失超及恢复特性曲线
将上面公式带入后可得暂态电流瞬时值为
3 电阻型 SFCL 接入对配电网合环暂态电流 影响分析
Abstract: Closing loop operation in distribution network is an important means to optimize the distribution network operating conditions, however, due to the difference of voltage of different switch sides will caused a large transient current in the ring which may result in protection devices malfunction, causing power outages during the operation. In this paper, a method is proposed to suppress the transient current which using resistor type superconducting fault current limiter. By adding resistor type superconducting current limiter in the power grid, when transient current is too large, we can use the self-triggering feature of resistive type superconducting current limiter, which will convert to normal resistance rapidly, inhibiting closing loop transient process. Finally, this paper build a model of a city distribution network in transient simulation software PSCAD / EMTDC and build resistance-type superconducting current limiter simulation model to verify the effectiveness of the proposed method. Keywords: closing loop operation; transient current; resistor type superconducting fault current limiter 多国家得到应用。而超导限流器由于具有限制暂态电 流幅值的良好效果而成为配电网中短路电流限制措施 中最具潜力的方式被广泛研究[3]。本文利用超导故障 限流器SFCL（Superconducting Fault Current Limiter） 实现抑制合环过程中暂态电流的目标。SFCL集检测、 触发、限流于一身，响应时间快，可自动恢复，具备 其他限流装置没有的优越特性，同时SFCL 无物理断 口，不需机械操作，可靠性高。将其装设在配电网环 内，当进行合环操作时，SFCL自动检测环内暂态电流 水平，根据预先设定临界电流，当测量电流超过设定 值时，超导限流器失超，电阻急剧增大，迅速抑制暂 态电流幅值，降低其对负荷和保护装置的不利影响， 从而提高配电网合环成功率和供电可靠性。