500 kV超導限流器在廣東電網(wǎng)應用選點研究

陳麗萍，余欣梅，鐘杰峰，孫景強，簡翔浩

（廣東省電力設計研究院，廣東廣州 510663）

隨著電力需求不斷增長和供電質(zhì)量要求不斷提高，輸、配電網(wǎng)規(guī)模日益擴大，電網(wǎng)互聯(lián)程度越來越高，但同時由于電網(wǎng)容量增加和互聯(lián)程度提高之后，電網(wǎng)的短路阻抗越來越小，使得電網(wǎng)的故障短路電流水平增大。短路電流成為目前困擾電力系統(tǒng)的重大難題之一，它嚴重影響電網(wǎng)的安全性和可靠性。

廣東500 kV電網(wǎng)短路電流整體水平逐年迅速增長，珠三角地區(qū)短路電流問題更加突出[1]。為降低500 kV短路電流水平，廣東電網(wǎng)采取解開內(nèi)環(huán)網(wǎng)運行、500 kV線路斷開運行、出串或站外跳通運行等措施降低短路電流水平[2-3]。然而上述措施均會對電網(wǎng)運行帶來影響，一定程度上降低了電網(wǎng)運行的靈活性[4]。隨著超導技術的逐步成熟，高溫超導限流器技術已進入實用化階段，為有效限制短路電流，減輕斷路器等各種電氣設備負擔，提高電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性，有必要考慮在廣東電網(wǎng)中應用500 kV超導限流器等限制短路電流新技術[5-6]。

1 廣東規(guī)劃電網(wǎng)短路電流分析

“十二五”期間，廣東珠三角500 kV電網(wǎng)，在2010年內(nèi)外雙環(huán)網(wǎng)基礎上進行擴展，自內(nèi)向外、自西向東形成較完整的內(nèi)外雙環(huán)網(wǎng)結構[7]：

1）內(nèi)環(huán)。廣南—江門—西江—羅洞—北郊—增城—穗東—橫瀝—東縱—大亞灣—寶安—鵬城—紫荊—沙角電廠—獅洋—廣南雙回路環(huán)網(wǎng)。

2）外環(huán)。獅洋—恩平—五邑—蝶嶺—滄江—硯都—玉城—東坡—花都—汾水換流站—博羅—福園—東莞—鯤鵬—嶺澳核電站環(huán)網(wǎng)。

內(nèi)外環(huán)之間分別通過廣南—獅洋雙回、硯都—西江雙回、博羅—橫瀝雙回路聯(lián)系，形成多個閉環(huán)的雙回路環(huán)網(wǎng)，500 kV主網(wǎng)架結構加強，短路電流水平有所提高?？紤]全合環(huán)運行方案時廣東全網(wǎng)500 kV短路電流水平過高，需采取降低短路電流水平措施以滿足電網(wǎng)安全運行要求?！笆濉逼陂g，為降低500 kV短路電流水平所采取的措施主要為

1）在沙角電廠解開內(nèi)環(huán)運行，降低沙角電廠及深圳電網(wǎng)短路電流。

2）考慮東縱—寶安線路斷開運行，降低東莞、深圳地區(qū)電網(wǎng)短路電流[3]。采取上述措施后，廣東珠三角地區(qū)部分500 kV站點短路電流水平如表1所示。

表1 廣東電網(wǎng)部分500 kV站點短路電流計算結果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年廣東500 kV電網(wǎng)短路電流整體水平仍然較高，其中增城、北郊、花都、鵬城、羅洞、西江、深圳等站短路電流水平仍較高，需進一步采取措施以控制短路電流至合理水平。

2 廣東規(guī)劃電網(wǎng)短路電流來源分析

廣東500 kV電網(wǎng)采用內(nèi)外環(huán)網(wǎng)結構，各個站點之間的聯(lián)系緊密。根據(jù)500 kV短路電流計算結果可知，廣東短路電流較高站點主要位于廣東的內(nèi)環(huán)網(wǎng)節(jié)點。其中，三相短路電流超過60 kA的500 kV站點的500 kV出線多數(shù)不小于6回（深圳、莞城除外）。而作為內(nèi)外環(huán)網(wǎng)之間的樞紐節(jié)點普遍短路電流水平較高，包括江門、北郊、羅洞、西江、橫瀝、東縱站，其500 kV出線6~10回。

對廣東電網(wǎng)部分站點的短路電流來源進行分析。計算結果如表2所法。由結果可見，通過內(nèi)環(huán)網(wǎng)提供的短路電流比例占50%~86%。實際上根據(jù)潮流計算結果可知，內(nèi)環(huán)網(wǎng)的潮流較重，是主要的潮流通道，與短路電流的主要通道一致。通過打開內(nèi)環(huán)網(wǎng)運行或將部分站點調(diào)整至外環(huán)網(wǎng)，不僅能夠減輕內(nèi)環(huán)的潮流，還可以降低內(nèi)環(huán)網(wǎng)站點的短路電流水平。

表2 廣東電網(wǎng)部分500 kV站點短路電流來源分析Tab.2 Theanalysisof thesourcesof short circuit currents in some 500 kV stations of Guangdong power grid k A

3 超導限流器對短路電流影響

雖然可以通過廣東內(nèi)環(huán)網(wǎng)解開運行、部分500 kV線路斷開運行、部分500 kV線出串或站外跳通運行等來降低廣東主網(wǎng)的短路電流水平。然而這些措施均一定程度上改變了原有電網(wǎng)的結構，影響電網(wǎng)的潮流分布和安全穩(wěn)定，降低了電網(wǎng)運行的靈活性和可靠性。

本文研究擬采用飽和鐵心型超導限流器。它的原理基于傳統(tǒng)的飽和鐵心電抗器，利用超導材料零電阻及通流能力強的特點，低損耗地解決了采用普通導體無法實現(xiàn)的大強度直流勵磁問題[8]。它由2個相同的鐵心、2個相同的交流繞組，一個直流繞組和一個直流電源及其控制電路組成。2個交流繞組和2個鐵心的這種對稱結構可以保證在2個鐵心處于相同的磁化狀態(tài)下，直流繞組所包圍的空間里磁通時時相互抵消，直流繞組2端無感生電勢產(chǎn)生。在電網(wǎng)輸電的正常通流態(tài)，直流磁勢使鐵心深度飽和，串入輸電線路的交流繞組呈現(xiàn)低感抗，故2端壓降很小，對于正常輸電無不利影響。在電網(wǎng)短路故障發(fā)生后，電流劇增，監(jiān)控系統(tǒng)立即感知故障并借助于直流控制電路中的電力電子開關在幾個毫秒之內(nèi)切斷直流勵磁電流，2個鐵心均脫離深度飽和狀態(tài)，故障電流在2個交流繞組上都將產(chǎn)生大的限流感應電勢，從而實現(xiàn)限流，使短路電流水平低于高壓開關遮斷容量。飽和鐵心型超導限流器可以提高線路和電網(wǎng)運行整體控制能力，避免了改變電網(wǎng)結構或運行方式等短路電流限制措施可能對電網(wǎng)運行造成的影響[9]?，F(xiàn)對以下超導限流器安裝在不同站點對短路電流的影響進行分析。

3.1 北郊站

北郊站處于廣州北部地區(qū)，至2015年出線7回，是位于內(nèi)外環(huán)網(wǎng)之間的樞紐節(jié)點，近區(qū)電網(wǎng)結構示意圖如圖1所示。北郊站短路電流水平較高，三相短路電流為59.4 kA，單相短路電流為61.4 kA，接近63 kA的限值。其中北郊-羅洞、北郊-花都線路為其短路電流主要來源。

圖1 北郊近區(qū)網(wǎng)架結構Fig.1 The grid structure near Beijiao Substation

結合北郊站內(nèi)部場地情況，超導限流器安裝在北郊-花都線路上建設條件較好，若安裝在北郊-羅洞線路存在較大的難度。因此超導限流器選擇以下安裝方案：

1）BJ-FA1。北郊—花都雙回線路分別各加裝1個超導限流器設備。

2）BJ-FA2。北郊—花都單回線路加裝1個超導限流器設備。

安裝超導限流器對北郊站短路電流限制效果如圖2所示。

計算結果表明：

1）僅在北郊—花都一回線路上加裝超導限流器限制短路電流的效果要明顯差于在雙回線路上均加裝的效果。當超導限流器發(fā)揮40Ω阻抗作用，雙回線路均加裝時能夠降低北郊站的三相短路電流水平約9.4 kA；單回線路加裝時，僅能降低北郊站的短路電流水平約2.6 kA。

圖2 超導限流器對北郊站短路電流影響計算結果Fig.2 The calculation result of the short circuit currents of Beijiao Substation influenced by the superconducting current limiter

2）超導限流器在短路時阻抗越大，對短路電流限制效果越好；阻抗越小，對短路電流的限制效果越差。當超導限流器阻抗為40Ω時，則北郊站、花都站、羅洞站三相短路電流分別下降約9.4 kA、12.6 kA、2.5 kA；當超導限流器阻抗為5Ω時，北郊站、花都站、羅洞站三相短路電流分別下降約2.5 kA、3.8 kA、0.6 kA。

3.2 增城站

增城站位于廣州東部電網(wǎng)，至2015年出線8回，近區(qū)電網(wǎng)結構示意圖如圖3所示。短路電流較高，三相短路電流為53.8 kA，單相短路電流為60.4 kA，接近63 kA的限值。其中增城—北郊線路為其短路電流主要來源。增城—穗東線路對其短路電流貢獻也較大。

圖3 增城站近區(qū)電網(wǎng)結構圖Fig.3 The grid structure near Zengcheng Substation

結合增城站內(nèi)建設條件，考慮以下2個加裝超導限流器方案：

1）ZC-FA1。增城—北郊雙回線路分別各加裝一個超導限流器設備。

2）ZC-FA2。增城-穗東雙回線路分別各加裝一個超導限流器設備。

安裝超導限流器對增城站短路電流限制效果如圖4所示。

圖4 超導限流器對增城站短路電流影響計算結果Fig.4 The calculation result of the short circuit currents of Zengcheng Substation influenced by the superconducting current limiter

計算結果表明：

1）同北郊站計算結果類似，超導限流器在短路時阻抗越大，則對短路電流限制效果越好。

2）加裝短路電流限制器于短路電流主要來源線路，對變電站母線三相短路電流的抑制效果，要優(yōu)于加裝不是短路電流主要來源線路。增城-北郊線路對增城站所提供的三相短路電流要大于增城-穗東線路所提供的值，ZC-FA1對增城站三相短路電流的抑制效果要優(yōu)于ZC-FA2，當超導線路器分別為40Ω、20Ω、5Ω時，ZC-FA1能夠分別降低增城站三相短路電流9.1 kA、6.5 kA、2.4 kA；ZC-FA2僅能夠分別降低增城站三相短路電流2.6 kA、2.0 kA、0.8 kA。

3.3 深圳站和鵬城站

深圳站、鵬城站位于深圳負荷中心，至2015年均分別出線六回，近區(qū)電網(wǎng)結構示意圖如圖5所示。根據(jù)第1節(jié)分析結果，2015年鵬城站短路電流仍然較高，三相短路電流為48.5 kA，單相短路電流為59.9 kA，接近63 kA的限值。深圳站三相、單相短路電流分別為47.1 kA、48.5 kA，接近深圳站現(xiàn)有斷路器50 kA的開斷水平，需進一步采取措施降低短路電流水平。

由于深圳站、鵬城站電氣距離近，且直接電氣連接，兩站短路電流水平密切相關，任一站限制短路電流措施都會影響另一站的短路電流水平，因此，該研究對深圳站和鵬城站短路電流進行聯(lián)合分析。根據(jù)第2節(jié)短路電流來源分析結果，深圳-鵬城線路均是深圳站、鵬城站的主要短路電流來源。此外，紫荊-鵬城也是鵬城站的另外一個短路電流來源。同時結合深圳站、鵬城站情況，深圳站加裝超導限流器的難度較大。鵬城站至紫荊、深圳方向均存在加裝條件。因此超導限流器初步考慮加裝在鵬城站，選擇以下安裝方案：

圖5 深圳鵬城站近區(qū)網(wǎng)架結構圖Fig.5 The grid structure near Shenzhen Pengcheng Substation

1）PC-FA1。深圳-鵬城雙回線路分別各加裝1個超導限流器設備。

2）PC-FA2。深圳-鵬城單回線路加裝1個超導限流器設備。

3）PC-FA3。紫荊-鵬城雙回線路分別各加裝1個超導限流器設備。

安裝超導限流器對增城站短路電流限制效果如圖6所示。

圖6 超導限流器對深圳站短路電流影響計算結果Fig.6 The calculation result of the short circuit currents of Shenzhen Station influenced by the superconducting current limiter

計算結果表明，加裝超導限流器后，對線路2端的短路電流限制效果良好，當超導限流器的阻抗在5~40Ω間變化時，深圳站、鵬城站短路電流水平均有所下降。

3.4 其他站點

類似地，對西江站、羅洞站、江門站等進行分析，加裝超導限流器對西江、羅洞站短路電流影響計算結果如圖7所示。計算結果表明，當超導限流器加裝于西江—羅洞、莞城—東縱線路時，對線路2端站點的短路電流限制效果均較好。

圖7 超導限流器對西江、羅洞站短路電流影響計算結果Fig.7 The calculation result of the short circuit currents of Xijiang Station and Luodong Station influenced by the superconducting current limiter

4 超導限流器選點方案

目前，35 kV飽和鐵心型超導限流器已在2007年掛網(wǎng)運行，220 kV飽和鐵心型超導限流器也已進入調(diào)試階段。通過超導限流器的運行和試驗，設備與電網(wǎng)匹配協(xié)調(diào)運行及其控制技術已積累一定的運行數(shù)據(jù)，具備進一步發(fā)展500 kV超導限流器的技術基礎。

4.1 超導限流器選點原則

珠三角地區(qū)負荷密度高，區(qū)域電網(wǎng)聯(lián)系緊密，是目前國內(nèi)最復雜的電網(wǎng)之一，對供電可靠性的要求很高。由于500 kV高溫超導限流器尚無應用先例，立足于系統(tǒng)安全可靠，選點原則如下：

1）降低電網(wǎng)短路電流水平，能體現(xiàn)超導限流器的作用。

2）合理選擇站點的出線，正常及N-1方式下限流值應不大于超導限流器的額定工作電流。

3）避免對電網(wǎng)運行方式有較多影響。

4）安裝方便，不影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

5）加裝高溫超導限流器后，母線的短路電流水平應不得超過開關的遮斷容量，并留有一定裕度。

4.2 安裝方案

1）加裝超導限流器于北郊—花都、增城—北郊、鵬城—深圳、鵬城—紫荊、莞城—東縱、西江—羅洞線路的效果均較好，能較大范圍地降低線路兩側站點的短路電流，同時也可以有效限制其近區(qū)廠站短路電流。

2）北郊站位處廣東500 kV主網(wǎng)架的中心，隨著廣東遠景網(wǎng)架的發(fā)展，其近區(qū)電網(wǎng)結構還存在較大不確定性，裝設超導限流器設備對遠景電網(wǎng)發(fā)展的適應性較差。

3）鵬城—紫荊線路正常運行方式下潮流較重，N-1方式下線路電流值存在大于超導限流器的額定工作電流的風險，且加裝超導限流器的效果也略差于深圳—鵬城線路。

4）西江—羅洞、莞城—東縱、深圳—鵬城線路在正常方式下線路潮流較輕，在這些線路上加裝超導限流器對系統(tǒng)運行的影響較小。同時，超導限流器加裝效果良好，均能有效降低線路兩側站點短路電流水平，能夠適應電網(wǎng)發(fā)展的需要。

5 結語

綜上分析，西江—羅洞、莞城—東縱、深圳—鵬城線路適合作為加裝超導限流器的線路。結合場地情況，西江站、東縱站及深圳站均適合作為加裝超導限流器的站點。隨著超導限流器制造技術的提高及成本的降低，若在廣東500 kV電網(wǎng)中得到廣泛應用，將有力降低廣東電網(wǎng)短路電流水平，促進廣東電網(wǎng)發(fā)展。

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