超导限流器在解决电网短路电流中的应用分析

舒彬，陈志莉，任安林，信赢

（1.北京电力技术经济研究院，北京100055；2.北京云电英纳超导电缆有限公司，北京100176）

京津塘、长三角、珠三角的电网均属于受端电网，受端系统内负荷高度集中，同时电源建设向着电厂布局集中化、单机容量大型化方向发展，使得系统容量迅速扩张，系统短路电流也越来越大。在一些大型城市，如北京、广州等负荷密集地区的枢纽变电站，500kV母线短路电流水平相继接近或超过63 kA，将面临无断路器可换的局面；而在220 kV以下等级的电网中，短路电流不仅增加了电网投资（更换或选用更大容量、更贵的设备），同时对现有运行设备也将造成大的冲击[1]。而且，随着风电、太阳能等新能源的快速发展，电网结构愈来愈复杂，存在多个站点短路电流同时超标的问题。

对于较高的故障电流水平，常用的解决方案包括：提高开关设备和其他设备的额定电流；解环运行并引入更高电压连接；引入更高阻抗的变压器以及串联电抗器。但这些方案可能产生其他问题：解环运行同时也降低了电网的可靠性；高阻抗变压器可以在一定程度上降低电网的故障短路电流水平，但同时增加电力的传输损耗，对电能质量也会造成一定程度的不良影响。

传统的限流技术已不能满足电网发展需要。超导材料与技术则提供了全新的解决方案，超导限流器（Superconducting Fault Current Limiter,SFCL）具有稳态低阻、限流高阻及自动响应恢复的特性，迄今为止，利用常规技术制造的限流装置是无法达到这样理想的性能要求。SFCL将以其独特的优越性成为极有发展前景和市场竞争力的新型电力设备。

1 电网短路电流问题

1.1 500kV等级输电网

以广东电网为例，2010年广东珠三角地区500kV三/单相平均短路电流为45.7/44.6 kA，比2005年升高6～8 kA。根据规划，2020年500kV变电站将达到67座。表1所示的规划电网全合环运行时，2015年全省500kV站点平均短路电流水平为48 kA，全网短路电流水平超过63 kA的站点达到13座，短路电流最高的站点接近70 kA；2015—2020年整体短路电流水平继续升高约5 kA，到2020年500kV电网短路电流水平超过63 kA的站点将达到17座[2]。

表1 广东规划电网全合环运行时短路电流水平表Tab.1 Anticipated short circuit current levels at ringclosed operation in Guangdong

考虑全合环下全网500kV短路电流水平过高，需采取降低短路电流水平措施以满足电网运行要求，如广东内环网解开运行、部分500kV线路断开运行、部分500kV线出串或站外跳通运行等。通过采取措施后对2011—2020年广东500kV电网短路电流进行计算，500kV电网短路电流整体水平仍然较高，部分地区仍需进一步采取措施，以控制短路电流至合理水平。

1.2 220 kV高压环网

随着500kV电网逐渐增强，很多地区出现了500kV/220 kV高低压电磁环网，限制短路电流要求最迫切的时候往往出现在高低压电磁环网运行时期。由于部分地区500kV尚未成为主干网，220 kV系统短路电流水平不断增大。在这个过渡阶段中，原有电压等级的电网已经接近其传输负荷能力的极限，这正是更高一级电网出现的原因。接有更大容量机组的高压线路的投入运行使该地区电网容量更大，联系更紧密，从而使短路电流问题更加突出[3]。

以北京电网为例，北京电网由500kV变电站构成环网结构，220 kV枢纽变电站与500kV电网形成电磁环网，220 kV负荷变电站110 kV变电站呈放射状网络运行，共同形成地区主网架供电结构。

北京电网是典型的受端电网，外送电比重较高的受端电网特性使区内电力供应过度依赖于外部资源状况，供应的主动性、安全性受到一定的挑战。随着华北主网及京津冀北电网结构的不断调整，系统电源增加，电网内部联系日益加强，北京电网220 kV母线短路电流水平逐年增大，部分地区的短路电流已经接近设备限值。

220 kV等级以下电网短路电流虽然有较多解决方案，但也面临其他问题，如更换设备费用高昂，解环运行同时也降低了电网的可靠性，高阻抗变压器增加电力的传输损耗，对电能质量也会造成一定程度的不良影响。

1.3 分布式发电系统

为了节约能源和减低CO2的排放，分布式发电已成为一种重要的电力电源形式。分布式电源主要接入配电网，表2是国网城市电网设计导则给出的不同容量的分布式电源并网的电压等级参照表[4]。

表2 不同容量的分布式电源并网的电压等级参照表Tab.2 Voltage level reference for distributed power grids

中国传统的配电系统总体上采取了单电源、辐射式结构。分布式电源接入到配电网中，原有配电网络的结构发生了变化，配电网中的短路电流分布明显与不接分布式电源时不同。当配电网发生短路故障时，除了系统向故障点提供故障电流外，分布式电源也将对故障点提供故障电流。由于分布式电源有助增电流的作用，流经故障点的故障电流将增大[5]。同样，在这种网络中由于并联支路较多，使得系统总阻抗较低，总的短路电流水平较高。在这种电网中，有效控制短路电流的水平具有重要的经济性。因为在电网中已安装大量的断路器，把其中容量较低的更换为容量较高的成本太高。为限制总短路电流水平，需要限制每个电源分支处的短路电流水平。这种情况下系统容量相对较小，限流设备应具有很低的阻抗以保证电压的稳定性。

2 超导限流器在电网中的应用分析

2.1 超导限流器的技术优势

SFCL与普通的限流装置相比具有许多独特的优点[6-7]：

1）在正常运行状态下呈现较低的阻抗，可以减低故障限流设备的运行损耗，保证用户电压的稳定性和用电质量；

2）发生短路故障时，可以立即产生高阻抗，限制电网的故障短路电流水平；

3）可以根据电网需要进行设计，将故障电流限制在电网允许的短路电流范围内；

4）动作快，有可能在亚毫秒级的时间内做出反应；

5）能自动触发、自动快速复位，集检测、触发、限流于一体；

6）当SFCL连接在几个互联的系统之间，能形成稳定的电力网，保证某一系统发生故障而不至于影响整个系统的正常运行，提高系统的可靠性，而这种特性正是目前准备大力发展的节能、安全、坚强的智能电网所需要的。

此外，SFCL有多种类型，不同类型的SFCL也有其本身的优缺点。从限流器件的性质上分，SFCL可分为电阻型和电感型。电阻型超导限流器是利用电阻的变化来通流、限流的，而电感型超导限流器是利用感应电势的变化实现通流、限流的[8]。

电阻型SFCL将超导通流/限流元件串联在电网中。正常输电时，超导元件处于超导状态，电阻几乎为0；当电网发生短路故障，短路电流超过超导通流/限流元件的超导临界电流，该元件就会在很短的时间内失超，成为一个电阻，从而有效地限制了电流。但由于电阻型SFCL对超导材料的要求很高，制作大容量限流器的难度很大。限流时超导材料需经历热失超过程，其恢复时间很难满足电网对断路器重合闸的要求。

电感型SFCL实现通流/限流的工作原理不尽相同，有多种电路类型，如饱和铁心型、桥路型、变压器型、磁屏蔽型等。除利用超导材料的零电阻特性之外，有的还利用了超导材料的完全抗磁特性。有些电感型超导限流器也利用失超实现限流，因而同样会面临失超后及时恢复的难题。

SFCL之所以会失超的本质原因是电网输电电流直接或间接流经超导通流/限流元件。为避免失超带来的麻烦，人们开发出了几类仅仅利用超导材料的零电阻特性，而不利用失超特性的SFCL，饱和铁心型SFCL便是其中的颇具竞争优势的一类。饱和铁心型SFCL原理类似于饱和铁心电抗器，是利用磁材料磁导率的非线性进行限流控制。超导材料在限流过程中不失超，避免了由于失超导致的恢复时间过长的问题。其原理清晰，结构工艺简单，性能可靠，利于制作大容量的限流装置。

2.2 超导限流器的设计要求

SFCL的性能指标和电网参数对限流器的设计及成本有影响，其中，性能指标包括限流能力和稳态压降，电网参数主要有电网电压、短路电流和稳态额定电流。电网电压、额定电流、未加入限流器时短路电流由电网决定，稳态运行时的额定电流和限流能力对限流器的设计及成本具有较大的影响。

以饱和铁心型SFCL为例，通常提高限流能力会导致铁心体积增加和交流绕组匝数增加，后者还会导致直流励磁安匝增加。而提高稳态运行时的额定电流会令直流励磁安匝增加，并有可能导致铁心体积增加。这都将较大程度地影响限流器的制作成本，其他各参数对限流器成本也有不同程度的影响。

为此，SFCL可针对不同电压等级电网进行设计，以达到最佳的技术经济效果。

1）500kV以上高压输电网。针对大容量的高压、超高压输电线路，系统阻抗较低，超导限流器的引入可以把短路电流的水平减低到断路器的额定开断容量之内。这种情况下，SFCL的设计要着重考虑限流容量和耐受大短路电流（>50 kA）的能力。

2）220 kV高压环网。对于多电源分布的高压环网，由于并联分支连接较多，总的短路电流值就非常大。对此，限制短路电流最有效的方法就是在每个电源处限制短路电流的水平。在每个电源处，短路电流的水平不高。针对这种情况，单个SFCL需要把10～20 kA的短路电流降低20%～30%。

3）分布式配电网。对于分布式可再生能源发电的中压电网，系统容量相对较小，限流设备应具有很低的稳态阻抗以保证电压的稳定性。

3 超导限流器的技术经济分析

以某220 kV变电站A为例（接线图见图1），在建成第3台主变后，220 kV母线短路电流将达到51.6 kA（单相接地），超过断路器遮断容量50 kA。其中3台主变提供的短路电流占总短路电流的53%；同时邻接变电站B母线短路电流也将达到38 kA，接近遮断容量40 kA。为此有2种解决方案应对短路电流，一是安装限流器，二是更换变电站内断路器、隔离开关、阻波器等一次设备。下面比较其经济性。

图1 变电站接线图Fig.1 Wiring diagram of a substation

1）安装超导限流器。A站220 kV为3/2接线，只有在主变220 kV侧安装SFCL才能有效限制短路电流。为此，在3台主变220 kV侧安装3台超导限流器，将短路电流限制在40 kA以下，使短路电流距断路器遮断容量50 kA有一定距离。为此可计算所需SFCL限流能力：

①每台主变提供短路电流为：51.6×53%/3＝9.12 kA。②共需要限制51.6-40＝11.6 kA短路电流。③每台限流器需要将短路电流9.12 kA限制到9.12-11.6/3＝5.25 kA。④要求安装在主变中压侧的限流器能够将9.12 kA短路电流限制到5.25 kA。达到此限流能力，预计每台限流器造价2700～2900万元，总费用8000～9000万元。

2）更换2座变电站现有设备遮断容量。总投资如表3所示。

表3 更换220 kV设备投资估算Tab.3 Total cost of upgrading the 220 kV equipment

由以上分析可见：

1）安装3台SFCL的成本略高于2个变电站短路遮断容量升级的投资。

2）但当出线回路较多，需更换的设备较多时，仅从初期安装投资上看，应用SFCL就会具有一定的经济性，而且随着相关设备的增多其经济性将更明显。

3）更为重要的是SFCL能够减小短路电流，大大提升全网电气设备的安全性，对主变及用电负载均有过流保护作用。这种保护效果是单纯升级短路遮断容量无法提供的。从这个角度讲，应用SFCL的联带经济效果要远优于增加短路遮断容量。

按照需求迫切程度及应用场所的不同，SFCL的市场将依下述路径逐渐展开：①220 kV SFCL将以其综合技术经济效果成为其应用的突破口；②随着技术不断提高及成熟，在500kV电网中SFCL将体现其不可替代性，发挥其巨大的技术优势，并将带来经济效益；③此外，由于SFCL独特的低阻抗优势，将在分布式配电网中得到较好的应用，伴随价格的走低促使在普通配电网中也有更进一步的需求。

4 结语

随着中国电网的快速发展，SFCL以其优越的性能，在电网中有着极好的应用前景。根据应用场所的不同，其限流容量大、稳态阻抗低的优势将表现在不同的设计要求上。但作为一种新型的电力设备，在大规模应用之前，还有以下问题需要加以解决。

1）低温系统可靠性。一般情况下，电力设备的可靠性要求是99.8%～99.9%，从而超导限流器的冷却系统的可靠性应大于99.8%。

2）与继电保护的配合策略。随着SFCL的应用发展，与电网原有设备匹配运行的问题变得愈来愈重要，尤其是与电网继电保护相配合将是其未来发展中需要研究的重点问题之一。

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