上海交通大学超导限流器项目分析

交流超导限流器试验电网为10kV配网系统。系统主接线图如图5.45所示，系统中电能由35kV变电站1#主变压器降压后经馈线110（张网线）传送至空压站高压控制柜，系统中所有高压开关均无重合闸。其中1#主变10kV侧主断路器配备南瑞继保生产的线路保护装置，设备型号为RCS9612AII，保护参数为：过电流Ⅰ段定值1500A，时间0.1s。馈线110（张网线）出线开关配备同样型号南瑞继保线路保护装置，保护参数为：过电流Ⅰ段定值1280A，时间0s，过电流Ⅱ段定值600A，时间0.05s。馈线110负载除空压机外还包括其他办公用电及备用电等，超导限流器安装位置在2#空压机高压控制柜出线端线路C相。负载为三星离心式空压机，型号TM1250，额定电压10kV，额定功率1007kW，额定电流60A，直接起动电流401A，在本实验中采用串联水电阻软方式起动，起动电流约为270A，起动时间35s。

现场试验数据采集系统分为远端、近端两部分：远端检测系统搭建于35kV变电站内，将继电保护二次侧信号引出作为系统检测信号，利用高精度、高采样率采集系统对系统电压、电流参量进行实时监控；近端检测系统搭建于空压站内，具体接线方式如图5.45所示，超导限流器支路与并联电阻支路电流分别通过电流互感器变换送至近端检测系统，以便检测。

现场试验准备工作主要由电力公司及上海交通大学共同完成。其中电力系统侧相关工作主要由电力公司完成，具体工作内容包括：电力系统运行方式及主接线调整、继电保护装置整定值调整、变电站内继电保护信号接出、短路点加工及电缆加工、现场应急预案编写及站内停电报告发布等。超导限流器侧相关调试工作主要由上海交通大学承担，具体工作内容包括：超导限流器基本性能测试报告出具、超导限流器现场组装、现场交接试验、现场信号采集系统联调等。准备工作流程如图5.46所示。

准备工作完成后，按照预定流程完成现场试验项目。现场试验主要包括如下内容：含空压机起动过程的额定通流试验、10kV电网三相短路故障、两相相间短路故障。其中额定通流试验包括空压机起动、空载运行、负载运行三部分，空压机起动过程中起动电流峰值约为300A，起动持续时间约为20s，起动完成后系统空载运行一段时间后加载至额定运行状态，最终由额定运行减载至空载运行，整个过程持续时间为10min。三相短路故障、两相相间短路试验持续时间均设定为70ms，两类短路均通过人工短路点进行设置，由于在现场交接试验中，

图5.45　现场试验超导限流器端系统接线图

图5.46　超导限流器现场试验准备工作流程

发现待测电力系统三相电缆存在绝缘老化问题，其耐压仅为7kV。现场实际试验发现，由于待测电力系统三相电缆存在绝缘老化问题，两相相间短路过程中出现了电缆绝缘击穿现象，相关试验数据分析将在下一小节中给出。

现场试验完成后，按照流程完成系统恢复工作。与前期准备工作相同，电力系统侧相关工作主要由电力公司完成，具体工作内容包括：电力系统运行方式及主接线恢复、继电保护装置整定值恢复、变电站内继电保护信号接回、短路点拆除、系统恢复供电等。超导限流器侧相关工作主要由上海交通大学承担，具体工作包括：超导限流器拆装、现场信号采集系统拆除以及超导限流器参数二次标定等。

本小节将针对交流超导限流器各项现场试验数据进行分析，讨论单相超导限流器对电力系统运行参数的影响。同时论证单相超导限流器在三相短路、两相相间短路过程中的限流能力。

1.额定通流试验

与前述实验室内额定通流不同，该额定通流试验包括系统起动、空载运行、系统加载、额定负载运行等多个状态过程。现场远端数据采集系统采集到的三相电压、电流波形图谱如图5.47所示，由于采集时间较长，图中仅可清晰看出各个过程中系统电压、电流包络线。由图5.47可知，系统电压波形仅在空压机起动时发生些许降落，系统空载、负载情况对系统电压几乎无影响；由于传感器变比不同，图中所示电流波形存在差异，经过比例折算后可知各相电流有效值相同。

图5.47　系统额定负载试验全过程电压、电流曲线图

为更好地获取额定通流试验各阶段系统电压、电流波形参量，对现场采集数据进行局部放大。其中负载起动过程中电压、电流波形包络波形图如5.48所示，由图可知空压机起动冲击电流持续时间约为19s，起动过程中电流峰值达319A，起动过程结束后其电流峰值下降至42A。起动过程中系统各相电压由8.56kV下降至8.29kV，整体跌落约3.15%，且随着起动过程结束，系统电压恢复正常。

图5.48　负载起动测试试验结果

系统加载过程中电压、电流波形包络波形图如图5.49所示，由图可知空压机由空载加载至额定负载，再由额定负载减载至空载，此过程总耗时为45s。系统空载电流峰值为42A，加载后其峰值电流达79A；加载过程中系统电压无明显变化，表示加载对系统电压无影响。试验过程中超导限流器外观无明显变化，根据实验室内测试可知额定电流下，限流器压降小于1V，这表明其引入对系统电压、电流均无影响。

图5.49　系统加载全过程测试试验结果

2.三相短路试验

在完成系统额定通流的基础上，如图5.45所示通过设置三相短路点实现系统三相短路试验模拟。由于本文中提到的超导限流器为一单相限流器，故其对三相短路故障的电流限制特性将会与安装三相限流器情况不同。为研究安装单相、三相限流器后对系统短路过程影响的差异性，本小节首先基于PSCAD软件，按照目标电网相关参数搭建了含超导限流器的交流电网模型[59]。通过改变限流器个数，分析限流器个数对系统远端（35kV变电站侧）电流、系统电压的影响。

利用PSCAD模型分别针对系统不含超导限流器、含单相超导限流器、含三相超导限流器情况下三相短路故障进行仿真模拟，其中单相限流器安装于C相。根据模型仿真结果分别对三种情况下B相、C相电压、电流波形图进行对比。其中C相电压、电流波形对比如图5.50所示。由图5.50a可知，由于单相超导限流器安装于C相，安装单相与三相限流器情况下系统远端处电流、波形保持一致，均将限流短路电流由6.3kA限制至4.8kA；由图5.50b可知，安装单相、三相限流器情况下，系统远端处C相电压波形保持一致，均将系统电压由3.8kV提升至4.6kV。

图5.50　安装超导限流器前后系统远端C相电压电流波形对比图(www.xing528.com)

而此时系统远端B相电压电流波形比对图如图5.51所示。由图5.51a可知，安装于C相的单相超导限流器对B相电流限流效果不明显，仅将第一波峰电流由3.75kA抑制到3.72kA，其电流波形与未安装超导限流器时几乎重合，而安装三相超导限流器后，系统第一个波峰电流由3.75kA抑制到3.23kA；由图5.51b可知，同样安装于C相的单相超导限流器对B相电压的稳压效果不明显，其电压曲线几乎重合，而安装三相超导限流器后，系统短路电压由3.96kV提升至4.66kV。

由上述仿真结果可知系统三相短路时，安装三相限流器与单相限流器时系统电压、电流特性有所不同。对于安装单相超导限流器的C相，其电流、电压波形基本保持一致，且显示出良好的限流、稳压效果；而未安装单相限流器的B相，其电压、电流均存在较大差异，单相限流器对B相的短路波形影响极小。

基于以上结论，对目标电力系统进行三相短路试验，通过对安装限流器的C相短路波形分析，验证其短路电流抑制能力以及稳压能力。通过对其现场试验数据的提取，短路过程中系统电压、电流波形如图5.52所示。由图5.52可知，由于仅在C相安装了超导限流器，C相电流、电压波形明显区别于其他相，其中电流波形存在明显下降趋势，与此同时其电压要明显高于其他两相，这些均与仿真结论相吻合。

图5.51　安装超导限流器前后系统远端B相电压电流波形对比图

图5.52　系统三相短路电压、电流曲线图

在图5.52基础上单独对C相电压、电流波形进行提取，并与不含超导限流器时的系统短路波形进行比对。其波形比对图如图5.53所示，由图可知，引入限流器后C相电流由6.3kA下降至4.8kA，电流下降为23.8%；而系统电压由4.2kV提升至5.1kV，电压上升了21.4%。此外根据提取近端采集系统数据，将短路过程中流经超导限流器的电流波形与仿真波形进行比对，其比对结果如图5.54所示。仿真与试验电流波形吻合度极高，其流经超导限流器电流峰值为2.1kA，推算出其流经并联电阻的电流为2.7kA，由于并联电阻阻值为0.85Ω，由此可粗略推算出，此时超导限流器整体电阻约为1.09Ω，该值远低于超导限流器常温电阻，可说明其本次短路过程中超导限流器温度处于安全范围内。

图5.53　引入单相限流器前后系统电压、电流对比图

图5.54　三相短路过程中流经超导限流器电流波形图

在完成三相短路试验后，通过变换短路点接线完成B-C相相间短路试验。与上一小节相同，首先利用仿真模型对安装单相、三相限流器后对系统两相相间短路的影响进行研究。其远端（35kV变电站内）处电压、电流仿真结果如图5.55所示。其中图5.55表示短路过程中C相电压、电流波形与安装限流器个数的关系，三相超导限流器将系统电流由5.1kA限制到4.0kA，而单相超导限流器将系统电流限制到4.4kA；两个限流器对系统电压稳定效果均不明显。其限流效果出现不同的主要原因为电力系统两相相间短路等效电路包含的超导限流器个数不同，三相限流器中有两相超导模块组串联于短路回路中，产生电阻能力明显强于单相限流器。此外系统远端A相电压电流波形对比图如图5.56所示。由于A相未发生短路故障，其短路时刻电流量较小，且其电压无明显变化。

图5.55　安装超导限流器前后系统远端C相电压电流波形对比图

图5.56　安装超导限流器前后系统远端A相电压电流波形对比图

由上述仿真结果可知系统发生两相相间短路时，安装三相限流器与单相限流器时系统电压、电流曲线将有所不同。三相限流器限流效果明显优于单相限流器，但单相限流器仍对短路电流表现出较为明显的电流抑制能力。

基于以上结论，对目标电力系统进行B-C两相相间短路试验。通过对安装限流器的C相短路波形分析，验证其短路电流抑制能力。通过对其现场试验数据的提取，短路过程中系统电压、电流波形如图5.56所示。由图5.56可知，系统在短路前半个周期为两相相间短路，而由于现场电缆绝缘老化的缘故，系统由两相相间短路发展成为三相短路故障。由于本文研究对象为两相相间短路，故针对其第一个波头进行研究，如图5.57所示限流器将短路电流第一个波峰由5.1kA限制为4.2kA，电流下降率为17.6%。此外根据提取近端采集系统信号，将短路过程中流经超导限流器电流波形与仿真计算结果进行对比，其对比结果如图5.58所示，由于系统在两相短路发生后约10ms后发生绝缘击穿，从而在近端采集系统中引入了大量干扰信号，故无法对其温度值进行评估，但根据限流器现场试验后所进行的二次标定，以及短路仿真结果可知，本次短路未对超导限流器系统造成损坏。

图5.57　系统三相短路电压、电流曲线图

图5.58　引入单相限流器前后系统电压、电流对比图

根据额定通流试验数据可知，超导限流器的引入未对原有系统额定工作参数造成影响，额定运行中未出现三相不对称运行状态。此外额定通流试验中，起动过程中的冲击电流也未对超导限流器造成影响。现场三相短路过程中，含超导限流器相短路电流由6.3kA下降至4.8kA，电流下降为23.8%；而系统电压由4.2kV提升至5.1kV，电压上升了21.4%。现场两相短路过程中，虽然随着绝缘恶化，系统短路两相相间短路升级为三相短路故障，但通过对波形波头分析，可以发现系统两相相间短路电流由5.1kA限制为4.2kA，电流下降为17.6%。由此可见，该电力系统引入超导限流器后系统短路电流明显出现下降，且针对三相短路过程，超导限流器起到了明显的稳压效果。