500 kV超导限流器在广东电网应用选点研究

陈丽萍，余欣梅，钟杰峰，孙景强，简翔浩

（广东省电力设计研究院，广东广州 510663）

随着电力需求不断增长和供电质量要求不断提高，输、配电网规模日益扩大，电网互联程度越来越高，但同时由于电网容量增加和互联程度提高之后，电网的短路阻抗越来越小，使得电网的故障短路电流水平增大。短路电流成为目前困扰电力系统的重大难题之一，它严重影响电网的安全性和可靠性。

广东500 kV电网短路电流整体水平逐年迅速增长，珠三角地区短路电流问题更加突出[1]。为降低500 kV短路电流水平，广东电网采取解开内环网运行、500 kV线路断开运行、出串或站外跳通运行等措施降低短路电流水平[2-3]。然而上述措施均会对电网运行带来影响，一定程度上降低了电网运行的灵活性[4]。随着超导技术的逐步成熟，高温超导限流器技术已进入实用化阶段，为有效限制短路电流，减轻断路器等各种电气设备负担，提高电力系统安全稳定性，有必要考虑在广东电网中应用500 kV超导限流器等限制短路电流新技术[5-6]。

1 广东规划电网短路电流分析

“十二五”期间，广东珠三角500 kV电网，在2010年内外双环网基础上进行扩展，自内向外、自西向东形成较完整的内外双环网结构[7]：

1）内环。广南—江门—西江—罗洞—北郊—增城—穗东—横沥—东纵—大亚湾—宝安—鹏城—紫荆—沙角电厂—狮洋—广南双回路环网。

2）外环。狮洋—恩平—五邑—蝶岭—沧江—砚都—玉城—东坡—花都—汾水换流站—博罗—福园—东莞—鲲鹏—岭澳核电站环网。

内外环之间分别通过广南—狮洋双回、砚都—西江双回、博罗—横沥双回路联系，形成多个闭环的双回路环网，500 kV主网架结构加强，短路电流水平有所提高。考虑全合环运行方案时广东全网500 kV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安全运行要求。“十二五”期间，为降低500 kV短路电流水平所采取的措施主要为

1）在沙角电厂解开内环运行，降低沙角电厂及深圳电网短路电流。

2）考虑东纵—宝安线路断开运行，降低东莞、深圳地区电网短路电流[3]。采取上述措施后，广东珠三角地区部分500 kV站点短路电流水平如表1所示。

表1 广东电网部分500 kV站点短路电流计算结果Tab.1 The calculation result of short-circuit currents in some 500 kV stations of Guangdong power grid kA

由表1可知，采取措施后2015年广东500 kV电网短路电流整体水平仍然较高，其中增城、北郊、花都、鹏城、罗洞、西江、深圳等站短路电流水平仍较高，需进一步采取措施以控制短路电流至合理水平。

2 广东规划电网短路电流来源分析

广东500 kV电网采用内外环网结构，各个站点之间的联系紧密。根据500 kV短路电流计算结果可知，广东短路电流较高站点主要位于广东的内环网节点。其中，三相短路电流超过60 kA的500 kV站点的500 kV出线多数不小于6回（深圳、莞城除外）。而作为内外环网之间的枢纽节点普遍短路电流水平较高，包括江门、北郊、罗洞、西江、横沥、东纵站，其500 kV出线6~10回。

对广东电网部分站点的短路电流来源进行分析。计算结果如表2所法。由结果可见，通过内环网提供的短路电流比例占50%~86%。实际上根据潮流计算结果可知，内环网的潮流较重，是主要的潮流通道，与短路电流的主要通道一致。通过打开内环网运行或将部分站点调整至外环网，不仅能够减轻内环的潮流，还可以降低内环网站点的短路电流水平。

表2 广东电网部分500 kV站点短路电流来源分析Tab.2 Theanalysisof thesourcesof short circuit currents in some 500 kV stations of Guangdong power grid k A

3 超导限流器对短路电流影响

虽然可以通过广东内环网解开运行、部分500 kV线路断开运行、部分500 kV线出串或站外跳通运行等来降低广东主网的短路电流水平。然而这些措施均一定程度上改变了原有电网的结构，影响电网的潮流分布和安全稳定，降低了电网运行的灵活性和可靠性。

本文研究拟采用饱和铁心型超导限流器。它的原理基于传统的饱和铁心电抗器，利用超导材料零电阻及通流能力强的特点，低损耗地解决了采用普通导体无法实现的大强度直流励磁问题[8]。它由2个相同的铁心、2个相同的交流绕组，一个直流绕组和一个直流电源及其控制电路组成。2个交流绕组和2个铁心的这种对称结构可以保证在2个铁心处于相同的磁化状态下，直流绕组所包围的空间里磁通时时相互抵消，直流绕组2端无感生电势产生。在电网输电的正常通流态，直流磁势使铁心深度饱和，串入输电线路的交流绕组呈现低感抗，故2端压降很小，对于正常输电无不利影响。在电网短路故障发生后，电流剧增，监控系统立即感知故障并借助于直流控制电路中的电力电子开关在几个毫秒之内切断直流励磁电流，2个铁心均脱离深度饱和状态，故障电流在2个交流绕组上都将产生大的限流感应电势，从而实现限流，使短路电流水平低于高压开关遮断容量。饱和铁心型超导限流器可以提高线路和电网运行整体控制能力，避免了改变电网结构或运行方式等短路电流限制措施可能对电网运行造成的影响[9]。现对以下超导限流器安装在不同站点对短路电流的影响进行分析。

3.1 北郊站

北郊站处于广州北部地区，至2015年出线7回，是位于内外环网之间的枢纽节点，近区电网结构示意图如图1所示。北郊站短路电流水平较高，三相短路电流为59.4 kA，单相短路电流为61.4 kA，接近63 kA的限值。其中北郊-罗洞、北郊-花都线路为其短路电流主要来源。

图1 北郊近区网架结构Fig.1 The grid structure near Beijiao Substation

结合北郊站内部场地情况，超导限流器安装在北郊-花都线路上建设条件较好，若安装在北郊-罗洞线路存在较大的难度。因此超导限流器选择以下安装方案：

1）BJ-FA1。北郊—花都双回线路分别各加装1个超导限流器设备。

2）BJ-FA2。北郊—花都单回线路加装1个超导限流器设备。

安装超导限流器对北郊站短路电流限制效果如图2所示。

计算结果表明：

1）仅在北郊—花都一回线路上加装超导限流器限制短路电流的效果要明显差于在双回线路上均加装的效果。当超导限流器发挥40Ω阻抗作用，双回线路均加装时能够降低北郊站的三相短路电流水平约9.4 kA；单回线路加装时，仅能降低北郊站的短路电流水平约2.6 kA。

图2 超导限流器对北郊站短路电流影响计算结果Fig.2 The calculation result of the short circuit currents of Beijiao Substation influenced by the superconducting current limiter

2）超导限流器在短路时阻抗越大，对短路电流限制效果越好；阻抗越小，对短路电流的限制效果越差。当超导限流器阻抗为40Ω时，则北郊站、花都站、罗洞站三相短路电流分别下降约9.4 kA、12.6 kA、2.5 kA；当超导限流器阻抗为5Ω时，北郊站、花都站、罗洞站三相短路电流分别下降约2.5 kA、3.8 kA、0.6 kA。

3.2 增城站

增城站位于广州东部电网，至2015年出线8回，近区电网结构示意图如图3所示。短路电流较高，三相短路电流为53.8 kA，单相短路电流为60.4 kA，接近63 kA的限值。其中增城—北郊线路为其短路电流主要来源。增城—穗东线路对其短路电流贡献也较大。

图3 增城站近区电网结构图Fig.3 The grid structure near Zengcheng Substation

结合增城站内建设条件，考虑以下2个加装超导限流器方案：

1）ZC-FA1。增城—北郊双回线路分别各加装一个超导限流器设备。

2）ZC-FA2。增城-穗东双回线路分别各加装一个超导限流器设备。

安装超导限流器对增城站短路电流限制效果如图4所示。

图4 超导限流器对增城站短路电流影响计算结果Fig.4 The calculation result of the short circuit currents of Zengcheng Substation influenced by the superconducting current limiter

计算结果表明：

1）同北郊站计算结果类似，超导限流器在短路时阻抗越大，则对短路电流限制效果越好。

2）加装短路电流限制器于短路电流主要来源线路，对变电站母线三相短路电流的抑制效果，要优于加装不是短路电流主要来源线路。增城-北郊线路对增城站所提供的三相短路电流要大于增城-穗东线路所提供的值，ZC-FA1对增城站三相短路电流的抑制效果要优于ZC-FA2，当超导线路器分别为40Ω、20Ω、5Ω时，ZC-FA1能够分别降低增城站三相短路电流9.1 kA、6.5 kA、2.4 kA；ZC-FA2仅能够分别降低增城站三相短路电流2.6 kA、2.0 kA、0.8 kA。

3.3 深圳站和鹏城站

深圳站、鹏城站位于深圳负荷中心，至2015年均分别出线六回，近区电网结构示意图如图5所示。根据第1节分析结果，2015年鹏城站短路电流仍然较高，三相短路电流为48.5 kA，单相短路电流为59.9 kA，接近63 kA的限值。深圳站三相、单相短路电流分别为47.1 kA、48.5 kA，接近深圳站现有断路器50 kA的开断水平，需进一步采取措施降低短路电流水平。

由于深圳站、鹏城站电气距离近，且直接电气连接，两站短路电流水平密切相关，任一站限制短路电流措施都会影响另一站的短路电流水平，因此，该研究对深圳站和鹏城站短路电流进行联合分析。根据第2节短路电流来源分析结果，深圳-鹏城线路均是深圳站、鹏城站的主要短路电流来源。此外，紫荆-鹏城也是鹏城站的另外一个短路电流来源。同时结合深圳站、鹏城站情况，深圳站加装超导限流器的难度较大。鹏城站至紫荆、深圳方向均存在加装条件。因此超导限流器初步考虑加装在鹏城站，选择以下安装方案：

图5 深圳鹏城站近区网架结构图Fig.5 The grid structure near Shenzhen Pengcheng Substation

1）PC-FA1。深圳-鹏城双回线路分别各加装1个超导限流器设备。

2）PC-FA2。深圳-鹏城单回线路加装1个超导限流器设备。

3）PC-FA3。紫荆-鹏城双回线路分别各加装1个超导限流器设备。

安装超导限流器对增城站短路电流限制效果如图6所示。

图6 超导限流器对深圳站短路电流影响计算结果Fig.6 The calculation result of the short circuit currents of Shenzhen Station influenced by the superconducting current limiter

计算结果表明，加装超导限流器后，对线路2端的短路电流限制效果良好，当超导限流器的阻抗在5~40Ω间变化时，深圳站、鹏城站短路电流水平均有所下降。

3.4 其他站点

类似地，对西江站、罗洞站、江门站等进行分析，加装超导限流器对西江、罗洞站短路电流影响计算结果如图7所示。计算结果表明，当超导限流器加装于西江—罗洞、莞城—东纵线路时，对线路2端站点的短路电流限制效果均较好。

图7 超导限流器对西江、罗洞站短路电流影响计算结果Fig.7 The calculation result of the short circuit currents of Xijiang Station and Luodong Station influenced by the superconducting current limiter

4 超导限流器选点方案

目前，35 kV饱和铁心型超导限流器已在2007年挂网运行，220 kV饱和铁心型超导限流器也已进入调试阶段。通过超导限流器的运行和试验，设备与电网匹配协调运行及其控制技术已积累一定的运行数据，具备进一步发展500 kV超导限流器的技术基础。

4.1 超导限流器选点原则

珠三角地区负荷密度高，区域电网联系紧密，是目前国内最复杂的电网之一，对供电可靠性的要求很高。由于500 kV高温超导限流器尚无应用先例，立足于系统安全可靠，选点原则如下：

1）降低电网短路电流水平，能体现超导限流器的作用。

2）合理选择站点的出线，正常及N-1方式下限流值应不大于超导限流器的额定工作电流。

3）避免对电网运行方式有较多影响。

4）安装方便，不影响系统安全稳定运行。

5）加装高温超导限流器后，母线的短路电流水平应不得超过开关的遮断容量，并留有一定裕度。

4.2 安装方案

1）加装超导限流器于北郊—花都、增城—北郊、鹏城—深圳、鹏城—紫荆、莞城—东纵、西江—罗洞线路的效果均较好，能较大范围地降低线路两侧站点的短路电流，同时也可以有效限制其近区厂站短路电流。

2）北郊站位处广东500 kV主网架的中心，随着广东远景网架的发展，其近区电网结构还存在较大不确定性，装设超导限流器设备对远景电网发展的适应性较差。

3）鹏城—紫荆线路正常运行方式下潮流较重，N-1方式下线路电流值存在大于超导限流器的额定工作电流的风险，且加装超导限流器的效果也略差于深圳—鹏城线路。

4）西江—罗洞、莞城—东纵、深圳—鹏城线路在正常方式下线路潮流较轻，在这些线路上加装超导限流器对系统运行的影响较小。同时，超导限流器加装效果良好，均能有效降低线路两侧站点短路电流水平，能够适应电网发展的需要。

5 结语

综上分析，西江—罗洞、莞城—东纵、深圳—鹏城线路适合作为加装超导限流器的线路。结合场地情况，西江站、东纵站及深圳站均适合作为加装超导限流器的站点。随着超导限流器制造技术的提高及成本的降低，若在广东500 kV电网中得到广泛应用，将有力降低广东电网短路电流水平，促进广东电网发展。

[1] 李力，李爱民，吴科成，等.广东电网短路电流超标问题分析和限流措施研究[J].南方电网技术，2009（3）：20-24.LI li，LI Ai-min，WU Ke-cheng，et al.Analysis of shortcircuit current exceeding standard of guangdong power grid and research on limitation measures[J].Southern Power System Technology，2009（3）：20-24（in Chinese）.

[2] 蔡广林，曹华珍.广东电网限制短路电流措施探讨[J].南方电网技术，2011，5（1）：90-93.CAIGuang-lin，CAOHua-zhen.Study on the short-circuit current limiting measures in Guangdong power grid[J].Southern Power System Technology，2011，5（1）：90-93（in Chinese）.

[3] 杨振纲，李力，李扬絮，等.广东电网短路电流超标问题及对策[J].南方电网技术，2011，5（5）：91-94.YANG Zhen-gang，LI Li，LI Yang-xu，et al.The issue of short-circuit current being out of limitation in Guangdong power grid and related measures[J].Southern Power System Technology，2011，5（5）：91-94（in Chinese）.

[4] 江道灼，敖志香，卢旭日，等.短路限流技术的研究与发展[J].电力系统及自动化学报，2007（3）：8-19.JIANG Dao-zhuo，AO Zhi-xiang，LU Xu-ri，et al.Research and development of short-circuit current limiting technology[J].Proceedings of the SU-EPSA，2007（3）：8-19（in Chinese）.

[5] 叶林，林良真.超导故障限流器在电力系统中的应用研究[J].中国电机工程学报，2000（7）：1-8.YE Lin，LIN Liang-zhen.The applications of superconducting fault current limiter in electric power systems[J].Proceedings of the CSEE，2000（7）：1-8（in Chinese）.

[6] 杨智龙，李爱华.电抗型超导故障限流器对两机系统暂态稳定影响[J].电力科学与工程，2011（5）：5-9.YANG Zhi-long，LI Ai-hua.The impact of reactance type superconducting fault current limiter on the transient stability of two-machine system[J].Electric Power Science and Engineering，2011（5）：5-9（in Chinese）.

[7] 钟杰峰．广东电网“十二五”系统设计[R].广州：广东省电力设计研究院，2010．

[8] 庞骁刚，龚伟志，洪辉，等.饱和铁心型超导限流器[J].低温与超导，2012（6）：34-39.PANG Xiao-gang，GONG Wei-zhi，HONG Hui，et al.Saturated iron-core superconducting fault current limiter[J].Cryogenics and Superconductivity，2012（6）：34-39（in Chinese）.

[9] 舒彬，陈志莉，任安林，等.超导限流器在解决电网短路电流中的应用分析[J].电网与清洁能源，2012，28（5）：19-23.SHU Bin，CHEN Zhi-li，REN An-lin，et al.Application of superconducting fault current limiters in resolving shortcircuit currents in power grids[J].Power System and Clean Energy，2012，28（5）：19-23（in Chinese）.