Research on Measure Point and Protection Configuration for 500 kV Superconducting Fault Current Limiter

随着南方电网广东地区500 kV网架结构大大增强，珠三角地区500 kV电网短路容量稳步增长，变电站现有设备容量难以适应系统发展的需要^[1]。降低短路电流可通过变电站母线分段运行或解开特定线路来实现，但这些方法会相当程度影响电网可靠性，在对可靠性要求极高的500 kV电网中很难实施。实际工程中已采用一些限流设备来降低短路电流，如在500 kV线路中串联接入干式空心限流电抗器，这种方法能有效抑制短路电流水平，但由于限流阻抗值是固定的，限流的同时也降低了电网运行的经济性和可靠性。

饱和铁心型高温超导限流器(Superconductive Fault Current Limiter ，以下简称SFCL)是一种限制电网短路电流的有效装置，500 kV的SFCL已进入样机研制和试验阶段^[2,3]，其主要有以下优点：能够在正常运行时呈低阻抗状态；能够在发生短路时呈高阻抗状态；能自动快速响应，让限流器从低阻状态快速转换到高阻状态；能够快速从高阻状态恢复到低阻状态。该设备在限流的同时可更好兼顾电网运行的经济性^[4,5]。

饱和铁心型SFCL的结构简图如图1所示。由铁心、常规交流绕组、直流超导绕组三个部分组成。其中铁心由两个口字形铁心组成；单相交流绕组为两个常规导体绕制的线圈，绕组两端接于电网中，绕组分置于不同的铁心上，线圈产生的磁场方向相同；直流绕组为超导材料绕制而成，为两个铁心提供直流励磁^[6,7]。

Figure 1.  Structure simple diagram of saturated core SFCL

正常运行时，直流电源为超导绕组提供励磁电流，产生一个偏置磁场，使铁心处于深度饱和状态。此时，铁心上的交流绕组处于低感抗状态，SFCL呈现较低的阻抗值，对电网的输送电力无明显影响。短路故障发生时，短路电流迫使两个铁心在一个周期内交替退出饱和，磁导率迅速增大，交流绕组处于高感抗状态，SFCL呈现较大的阻抗值，从而有效限制短路电流幅值^[8]。

参考之前类似工程的接入系统方案，结合超导限流器的设备特性，综合考虑500 kV SFCL的设备特点及电网单位运行的要求，初步形成以下三种具有一定代表性的电气主接线方案。

1)主接线方案一，如图2所示。

Figure 2.  Single line diagram of 500 kV SFCL (option 1)

该接线参考了500 kV串抗工程的主流接线方案，设置了旁路隔离开关，主回路设置隔离开关，同时在SFCL两端设置了并联电容器和对地电容器。

2)主接线方案二，如图3所示。

Figure 3.  Single line diagram of 500 kV SFCL (option 2)

方案二在方案一的基础上在SFCL两端增加了一台旁路断路器CB1，以提高运行的灵活性，该方案可以在两侧变电站的串中断路器不动作的情况下进行SFCL的投切。

3)主接线方案三，如图4所示。

Figure 4.  Single line diagram of 500 kV SFCL (option 3)

该方案在SFCL主回路中设置了断路器CB1和CB2，设置了旁路断路器CB3，并在CB3两端设置了隔离开关和接地开关供断路器和线路检修时使用。CB3并在整个SFCL回路两端，当SFCL发生接地故障时，可通过CB1，CB2，CB3的配合动作快速切除故障，变电站串内断路器可不动作，实现线路不停电。该方案中DS3和DS4可选择处在热备用的状态下，当SFCL需要退出时，旁路能够立刻投入。

针对第2节提出的三种主接线方案，提出测点配置和保护配置的方案，并对保护的动作行为及配合进行初步探讨。

对于SFCL与线路的保护分区，有SFCL与线路保护区独立与合并两个方案，以主接线方案一为例，展开讨论：

1)SFCL和线路保护区合并，如图5所示：

Figure 5.  SFCL and line protection areas combined together

该方案的测点配置无需改动，采用目前站内的配置，不单独配置SFCL的差动保护，将其含在线路保护区内，如图3.1所示。该方案的优点是实现简单，缺点是，SFCL失超时，对线路的距离保护会有影响，并且对线路保护的整定造成影响，有可能导致部分保护定值(主要是距离保护II段)与下级保护的配合存在困难。并且线路保护难以识别是SFCL的故障还是线路的故障，从而无法正确闭锁重合闸。

2)SFCL和线路保护区独立，如图6所示：

Figure 6.  SFCL and line protection areas keep independent

该方案要求将CVT设置在出线侧，并且设置2组出线CT，本体及引线差动保护区和线路保护区保护范围交叉，保护无死区。当本体及引线差动保护动作时，跳串内断路器，并通过线路保护跳对侧，同时闭锁断路器保护重合闸。

该方案的优点是，线路距离保护不受SFCL的影响。因此，建议采用SFCL保护与线路保护独立设置。

对于方案一，测点和保护配置如图6所示。

当线路保护动作时，启动重合闸，带着SFCL一起重合闸，如重合闸成功，线路恢复运行，如重合闸失败，线路停运。

该方案的优点是，线路距离保护不受SFCL的影响，并且线路保护重合闸无需判别SFCL本体故障还是线路故障。

主接线方案二的保护配置如图7所示，该配置划分本体及引线、线路两个保护区，设置本体及引线差动保护，与线路保护范围重叠。另外设置断路器保护，保护旁路断路器。

Figure 7.  Protection configuration diagram of option 2

当本体及引线差动保护探测到故障时，跳串内断路器，并通过线路保护跳对侧，闭锁重合闸，线路停电。当线路保护探测到故障时，跳串内断路器，带着SFCL一起重合闸。

距离保护区不包括SFCL。

对于方案三，测点及保护配置有两种方式，第1种如图8所示。

Figure 8.  First protection configuration diagram of option 3

该方式也划分本体及引线、线路两个保护区。配置引线及本体差动保护、线路保护、断路器保护。引线及本体差动与线路保护范围交叉，线路保护不受SFCL的影响。但本体保护区与引线保护区没有独立，是合并在一起的。

在该方式中，当SFCL本体发生非接地故障时，可由SFCL自身的控制保护系统发出信号，合旁路断路器，同时发指令跳SFCL两侧断路器，实现不停电切除故障。当发生本体接地故障或引线接地故障时，本体及引线差动保护无法判别是本体故障还是引线故障，均导致跳串内断路器，并通过线路保护跳对侧，闭锁重合闸，线路停电。无法采用旁路保证线路不停电，这实际上扩大了故障范围。可采取的措施是，接入SFCL左侧的CT电流，形成引线差动保护和本体差动保护两个独立的保护区，但是现有的引线保护版本不具备接入5组CT的能力。可采用两台独立的装置实现。即第二种保护配置方式，如图9所示。

Figure 9.  Second protection configuration diagram of option 3

该方式将本体及引线差动保护拆分开来，其他部分与上一种方式无异。当引线差动保护动作时，跳本站串内断路器与对站串内断路器，不跳旁路与限流电抗器支路的断路器。当SFCL本体差动保护动作时，跳SFCL两侧断路器，同时合旁路断路器，实现不停电切除故障。由于断路器的跳闸时间一般比合闸时间短(常见的HGIS的开断时间为不大于40 ms，合闸时间为不大于100 ms)，则存在的问题是，当发生故障时，同时发出跳两侧断路器与合旁路断路器命令，由于合闸速度慢，旁路断路器合闸时线路已断开，则将会出现三相重合闸。而目前500 kV的重合闸方式是单相重合闸，如果采用三相重合闸，需评估其对系统带来的影响，可根据试点工程的系统条件开展后续相应的仿真计算。

线路保护取SFCL右侧CT和旁路CT的和电流，电压取SFCL右侧CVT，当线路保护探测到故障时，跳闸存在两种方式：(1)跳SFCL右侧断路器及旁路断路器。对重合闸而言，若跳闸前SFCL支路正在运行，则重合SFCL右侧断路器；若跳闸前旁路正在运行，则重合旁路断路器。(2)跳串内断路器，重合闸则与普通500 kV线路无异，无需改变线路的重合闸配置。该跳闸方式的另一优点是失灵保护不需要考虑旁路断路器，只考虑串内断路器和SFCL两侧断路器即可。因此，推荐采用第2种线路保护跳闸方式。

主接线方案三共增加了3台断路器。

1)若SFCL本体发生非接地故障，如果先合旁路，再跳两侧断路器。则若旁路合上后，SFCL两侧断路器发生跳闸失灵，此时因旁路已经合上，有可能不满足失灵电流启动判据，可能无法启动失灵保护。如果是同时发合旁路与跳两侧断路器指令，在失灵保护延时的时间内，旁路已合上，同样存在无法启动失灵保护的情况。因此，须根据试点工程电气设备的具体选型情况，评估辅助节点回路的可靠性，综合决定是否取消失灵电流判据。

2)如果是SFCL保护区内发生的接地故障，则无论旁路断路器是否合上，SFCL两侧的断路器失灵保护均能启动。由断路器失灵保护出口跳所有与之相连的断路器。

3)旁路断路器，主要用作运行方式切换，不做故障隔离。因此为简化失灵保护配置，建议不配置旁路断路器的失灵保护。在发生引线区内故障时，引线差动保护动作跳本站串内断路器与对站串内断路器，不跳旁路断路器与SFCL支路断路器。当旁路断路器合闸时发生失灵，则由三相不一致保护动作跳闸。旁路断路器跳闸，只出现在运行人员操作跳闸的情况。因此不需要考虑失灵保护。

对于主接线方案三，不论采用哪种保护配置方式，优点都是SFCL本体发生故障时，均可以实现线路不停电，且各保护区域之间相对独立，对系统的影响较小。缺点是断路器数量较多，投资较高，保护之间的配合相对复杂。

1)SFCL控制保护系统与其他继电保护的配合SFCL的故障可划分为两类，一类为严重故障(如短路故障、需马上停运的设备内部严重故障)，需马上切除故障点；另一类为设备轻微内部故障，还可继续运行一段时间。对于严重故障，主接线方案一和二需要马上跳开交流串中的断路器和对侧的断路器，线路会停电。方案三则可通过投旁路，跳SFCL两侧的断路器实现不停电(或短时停电)情况下的故障切除。SFCL的接地故障可由本体及引线差动保护判别，另外SFCL的本体控制保护系统应能够区分设备严重内部故障和轻微故障，从而正确的与差动保护、线路保护、断路器保护接口配合。线路保护重合闸与SFCL控制保护系统在时序上应有配合关系，应确保SFCL恢复高阻状态后，重合闸才动作。

2)本体及引线差动保护与线路保护的配合。

对于主接线方案一和二以及方案三的第一种保护配置方式，本体及引线差动保护动作后，跳本站串内断路器，同时通过线路保护远跳对侧站断路器，并且闭锁断路器重合闸。

对于方案三的第二种保护配置方式，本体差动保护保护动作后，合旁路断路器，跳SFCL两侧断路器，可完成故障隔离，无需与线路保护配合。若引线差动保护动作，则仍需跳串内断路器。

综上所述，从主接线方案一到方案三，测点与保护配置的复杂度逐步上升。但对于主接线方案一和二以及方案三的第一种保护配置方式，本质上都无法在SFCL发生严重故障时保证线路不停电。方案三的第二种保护配置方式理论上可解决这个问题，但仍存在操作细节问题需进一步论证。

500 kV SFCL目前仍属于科研设备，从220 kV和35 kV的SFCL的运行状况来看，其设备可靠性仍相对较低。而500 kV线路的可靠运行对电网系统有非常重要的影响。本文基于适用于500 kV SFCL变电工程的接线方案提出了相应的保护和测点配置方案。并通过对比和讨论，得出了可满足较高的运行可靠性要求及对电网影响较小的方案，为相关工程的顺利实施提供了技术准备。