直流超导限流器实用化的技术要求

李清波，陈志伟，金 晶，陈 凡

（1.广东电网有限责任公司汕头供电局，广东 汕头 515000；2.武汉大学电气与自动化学院，湖北 武汉 430072）

0 引 言

直流输电系统是实现长距离大容量输电、可再生能源整合等目标的有效方法，然而直流故障时有上升速度快、幅值大，断路器开断能力不足的问题，这会威胁到直流设备[1]。限制故障电流是提高整个直流系统可靠性的有效方法，超导材料具有基于零电阻和高通流能力的特性，使用超导材料的超导故障限流器（Superconducting Fault Current Limiter，SFCL） 可能是一个有效的选择，人们提出了一些直流SFCL原理和原型。从限流方法来看，直流SFCL可以分为电阻型、电感型和混合型3种类型。

文献[3]设计了一个电阻型SFCL，它由YBCO带材经串并联组成，低压直流系统的试验表明，它可以将故障电流降低到原始值的50%。文献[2]介绍了一种应用于±200 kV/1.5 kA直流系统的电阻型SFCL。它由多个限流单元组成，这些限流单元由无感线圈串联或并联连接构成，可以实现15 Ω的限流电阻。

电感型SFCL通常利用超导材料和铁磁材料之间的电磁耦合关系来设计，可以限制直流故障电流并降低直流断路器中的电压应力。文献[3]指出，磁通耦合型SFCL有助于抑制换向电压的降低并改善恢复特性，并设计了一种设计了一种电感型SFCL，可以限制直流故障电流的上升速率。

电感型的直流SFCL只能限制故障电流的上升阶段而不能限制峰值，一些文献提出了具有更好限流性能的阻感混合型SFCL，同时具有电感和电阻的特性。混合SFCL的性能取决于其限流原理。外部电路的控制策略。快速开关的操作性能以及其他因素。

本文基于直流故障暂态特性，讨论了换流器、直流断路器和直流SFCL之间的配合关系，然后研究了直流故障瞬态期间直流SFCL的限流要求，提出了一些技术指标来评估直流SFCL的性能。

1 直流SFCL的限流要求

在直流故障暂态过程中，故障初期电流会快速增加，因此有必要限制故障电流的上升速度。故障电流的幅值与直流断路器的最大开断电流密切相关，因此应限制峰值电流和持续电流，这是直流SFCL的关键限流要求。在故障被完全切除后的隔离阶段，直流SFCL需要完全恢复到其初始状态，在该状态下直流SFCL能够再次限制故障电流。

电阻型SFCL表现为可变电阻，在正常工作期间其电阻可以忽略不计，但在故障电流超过超导体的临界电流后，超导体的失超特性会使其电阻会迅速增大[4]。失超后恢复到超导态的速度影响SFCL的恢复性能，此过程需要应进一步研究，避免失超过程中的破坏性热点[5]。

电感型SFCL表现为非线性电感。通常，SFCL的电感是由线圈和铁芯之间的电磁耦合产生的。这种类型的SFCL主要难点是在故障条件下尽快产生较大的电感，限流器的预饱和绕组的安匝数必须设置为适当的值，以避免饱和，并在整个故障瞬态过程中保证其限流能力。

基于模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）的直流系统由于开关频率低、电能质量好等优点而受到欢迎。然而，MMC直流系统在故障保护、故障电流限制和故障隔离等方面面临更大的技术挑战。带有SFCL的直流系统的拓扑结构如图1所示。

图1 直流系统结构示意图

SFCL安装在换流器的出口处，以最严重的极间故障来考查限流器的各项性能。分别采用5Ω电阻型SFCL和30 mH电感型SFCL，直流故障电流波形如图2所示。无限流器时，由于子电容提供的放电电流，故障发生后直流故障电流会迅速增加，峰值可达到数十千安，因此持续电流也远高于直流负载电流。据此，根据直流故障暂态特性讨论技术指标。

1.1 动作时间ta

用ta表示SFCL对直流故障的动作时间。图2中，故障电流在几毫秒内上升到很高的值，过电流会影响整个直流系统。显然，直到SFCL响应动作后，才能减小快速上升的故障电流。在中国实际的±200 kV直流系统中，直流断路器可以在3 ms内切断故障电流[2]。如果SFCL能够尽快响应并在1～2 ms或更短的时间内限制故障电流，则将大大降低直流断路器的开断压力。因此，性能指标1表示为：

图2 不同限流条件下的故障电流波形

式中，tCB是直流断路器的开断时间，ta应尽可能小，对于电阻型SFCL，ta是SFCL达到一定电阻值的失超时间；对于电感型SFCL，ta是SFCL呈现出高电感值的时间；对于常规的恒定电抗器，其响应时间可以视为0 s。

1.2 故障电流上升速度k

故障电流的上升速度k是指单位时间内故障电流上升的值，α过高将主要导致如下两个问题，一个是引起直流断路器故障不能正确触发，另一个是由于直流故障电流超过临界闭锁电流而导致换流器闭锁。直流SFCL降低故障电流上升速率至关重要，因为它不仅确保换流器不会由于过电流而迅速被闭锁，而且还为保护系统和断路器提供了切断故障的时间余量。因此，性能指标2表示为：

式中，k是SFCL的最大故障电流上升速度；iblock是换流器的临界闭锁电流，一旦故障电流超过iblock，换流器将被闭锁；iN是正常工作电流；trelay是保护继电器的动作时间；tm是时间裕度。

图2中，如果应用5 Ω电阻型SFCL，则故障电流会在3～5 ms达到峰值。相比之下，如果应用30 mH电感型SFCL，则故障电流将被限制在其峰值以下8～10 ms，因此，电感型SFCL在限制故障电流的上升速率方面具有更好的性能。

1.3 限流比率

没有SFCL的直流故障电流的峰值非常大，可能超过直流断路器的最大开断能力，为了降低故障开断的应力，直流SFCL应能够将峰值限制在直流断路器的最大开断电流以下。性能指标3表示为：

式中，imax[0]、imax分别是无SFCL和有SFCL的故障电流的峰值，imax越小，α值越大，直流SFCL的限流效果越好。

如果直流故障在初始阶段无法隔离，则故障将进入交流侧电流馈送阶段。在该阶段，直流故障电流为持续电流，一直存在直到交流侧断路器跳闸。在此阶段中，直流SFCL应有持续限流能力。性能指标3还包括：

式中，is[0]、is分别是无SFCL和有SFCL的稳定故障电流，β值越大，直流SFCL的限流效果越好。

图2中的仿真结果表明，电感型SFCL不能限制稳定故障电流，电阻式SFCL可以限制稳定故障电流，但在此期间需要防止因过热而损坏。

1.4 恢复时间tr

超导限流器动作后要恢复到初始状态才能重新合闸该线路，因此直流SFCL的恢复时间应尽可能短。提出指标4，表示为：

式中，treclosure是直流断路器切断故障后的重合闸时间延迟（通常为几百毫秒）；tr是直流SFCL的恢复时间，包括绝缘恢复时间和冷却系统恢复时间。

基于以上分析，理想的直流SFCL应尝试整合多种限流功能以获得最佳限流效果。如果在直流系统中串联了包括电阻和电感的混合型SFCL，则限流效果如图3所示。在直流故障的初期，SFCL有效地限制了故障电流的上升速率，降低了继电保护的响应速度要求和断路器的开断电压应力，然后可以通过电阻限制峰值和稳定故障电流，以降低直流断路器的开断难度。

图3 理想直流SFCL的限流波形

限于目前的技术条件，SFCL难以实现快速的响应和恢复。若采用恒定电感，又会对直流系统产生负面影响。因此，任何类型的直流SFCL很难同时满足所有指标。设计新的直流SFCL原理或拓扑以满足直流系统的要求，需要进一步详细研究。

2 结 论

本文讨论了直流SFCL、直流断路器和换流器之间的配合关系，为了满足直流系统的限流要求，提出了几种理想的直流SFCL的性能评价指标。限流器的设计目标应减小其动作时间、增加其阻抗上升速率和倍数，以给保护系统争取更大的相应时间裕度，并可减小换流器的闭锁应力和直流断路器的开断难度。此外，为了保证直流系统的重合闸和故障后恢复功能正常，还需要SFCL有足够的恢复速度。仿真结果验证了这些指标的重要性，并且任何类型的直流SFCL很难同时满足所有指标，在实际应用中要根据工程需求进行取舍。