戴志輝， 滕正偉， 邱宏逸， 邱曉璇， 秦昊宇

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引 言

我國已建成世界上規(guī)模最大、電壓等級最高的交直流混聯(lián)電網(wǎng)[1]。隨著發(fā)輸配電規(guī)模的繼續(xù)擴大、負(fù)荷密度不斷增長，系統(tǒng)短路電流超標(biāo)問題日益突出[2，3]，合理有效的短路電流限制措施對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行具有重要意義。故障限流器(fault current limiter，F(xiàn)CL)兼顧了短路電流限制和系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行[4，5]，能消除電網(wǎng)架構(gòu)或運行方式調(diào)整帶來的供電可靠性下降和輸電能力降低等弊端，同時能避免采用高阻抗變壓器和限流電抗在系統(tǒng)正常運行時帶來的額外損耗。

其中，飽和鐵芯型超導(dǎo)故障限流器(saturated iron-core superconductive fault current limiter，SISFCL)憑借響應(yīng)速度快、恢復(fù)時間短等優(yōu)點，成為高壓大容量電網(wǎng)中較為理想的故障限流器[6]。近年來，SISFCL研究取得了重大進(jìn)展，國內(nèi)外已有35 kV[7]和220 kV[8]SISFCL掛網(wǎng)運行案例，且一些500 kV SISFCL樣機已進(jìn)入試驗測試階段[9]。在限流的同時，SISFCL可能對系統(tǒng)其他方面產(chǎn)生影響，如輸電線路故障特征、繼電保護動作特性等。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對SISFCL對電力系統(tǒng)的影響研究主要集中于工作特性、輸電線路保護動作性能和應(yīng)對策略等方面。文獻(xiàn)[10～12]提出了不同的SISFCL電磁暫態(tài)建模方法，并從仿真角度研究了SISFCL的工作特性。其中，文獻(xiàn)[10]分析了SISFCL的限流特性，文獻(xiàn)[11～12]研究了正常運行和暫態(tài)故障情況下的SISFCL阻抗特征；文獻(xiàn)[13]研究了交流繞組與直流勵磁繞組的電壓、電流波形特征及相互作用規(guī)律，并提出了直流滅磁時間的影響因素；

針對SISFCL對輸電線路繼電保護動作特性的影響，文獻(xiàn)[14]提出相比固定電感，采用SISFCL限流更有利于快速切除故障，但故障切除時間與輸電線路保護動作性能及斷路器開斷能力關(guān)系密切，該結(jié)論僅基于暫態(tài)功角穩(wěn)定提出，缺乏SISFCL對線路保護及斷路器動作性能影響的研究；文獻(xiàn)[15]基于SISFCL阻抗特性，分析了其對縱聯(lián)差動保護、三段式距離保護及零序過流保護的影響，缺少SISFCL對其他線路保護的分析；文獻(xiàn)[16～17]針對SISFCL對三段式距離保護的影響，提出通過繼電器接線方式改接和定值重新整定的方法降低距離保護拒動的風(fēng)險，然而SISFCL阻抗呈明顯的非線性特征且隨時間變化，難以實時計算，故通過定值重新整定降低距離保護誤動概率的難度較大，應(yīng)尋找更為合理的繼電保護應(yīng)對策略。

另一方面，工頻變化量距離保護憑借動作速度快、可靠性高等優(yōu)點，負(fù)序方向保護憑借耐受過渡電阻能力強和不受系統(tǒng)振蕩影響等特性，在輸電線路領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。同時，斷路器的故障開斷能力對快速清除故障尤為重要，SISFCL投入后輸電線路故障特征將發(fā)生變化，可能對斷路器開斷能力產(chǎn)生影響。但是，目前有關(guān)SISFCL的研究忽略了其對工頻變化量距離保護、負(fù)序方向保護及斷路器動作特性的影響。

以含SISFCL的500 kV雙端系統(tǒng)為例，首先系統(tǒng)分析了SISFCL投入后的輸電線路短路電流諧波特征變化規(guī)律，包括：頻率分布、諧波含量、畸變率及時間衰減常數(shù)；其次深入研究了SISFCL對各類距離保護、負(fù)序方向保護及斷路器開斷能力的影響。最后，基于SISFCL對輸電線路故障特征及保護的影響分析，提出了初步的應(yīng)對策略。研究結(jié)論可為SISFCL在電力系統(tǒng)中的實際應(yīng)用提供參考。

1 SISFCL模型

1.1 電路結(jié)構(gòu)

SISFCL主要由一次交流繞組、鐵心和直流繞組構(gòu)成，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。一次交流繞組由常規(guī)導(dǎo)體繞制而成，串接于高壓電網(wǎng)，分置于不同鐵心；直流繞組由超導(dǎo)材料繞制而成，同時為兩個鐵心提供強直流勵磁。

圖1 單相SISFCL工作原理

圖1中，i1、i2分別為交流繞組、勵磁繞組電流；N1、N2分別為交流繞組、勵磁繞組匝數(shù)，N2為N1的數(shù)十倍；Udc為直流電源；Rdc1為直流電源內(nèi)阻；Rdc2為壓敏電阻；l為鐵心中心線長度。

對于某鐵心磁路，若已知鐵心材料的B-H曲線、繞組匝數(shù)N、長度l和平均截面積S，可由式(1)求得該磁路的L-i曲線。

(1)

SISFCL鐵心磁化曲線如圖2(a)所示，其電感-電流曲線如圖2(b)所示。

圖2 SISFCL鐵心特性曲線

由圖2可知，SISFCL阻抗隨電流的變化呈明顯的非線性特征。系統(tǒng)正常運行時，快速開關(guān)閉合，直流電源為超導(dǎo)繞組提供恒定的強直流偏置磁場，2個鐵心分別工作于正/反向飽和區(qū)。而一次繞組流過的負(fù)荷電流幅值較小，其產(chǎn)生的去磁作用不足以使鐵心退出飽和。此時，SISFCL近似為空心電感，處于低阻態(tài)，對系統(tǒng)的正常運行基本無影響。

電網(wǎng)發(fā)生短路時，交流繞組電流迅速增大，其去磁作用使鐵心在每個交變周期內(nèi)處于短時間的非飽和狀態(tài)，交流繞組兩端電壓降增大，SISFCL工作于限流區(qū)，處于高阻態(tài)，起到限制短路電流的作用。另外，當(dāng)SISFCL控制環(huán)節(jié)監(jiān)測到電網(wǎng)發(fā)生故障時，快速開關(guān)迅速切斷直流電流，直流勵磁繞組經(jīng)滅磁電阻Rdc2釋放磁能，勵磁電流i2快速衰減至零，鐵心退出直流激磁狀態(tài)。此時，SISFCL相當(dāng)于鐵心電感，可獲得較大的電抗值。

1.2 電磁暫態(tài)建模

由等效磁路分解法可得單相SISFCL的等效電路[10]，如圖3所示。

圖3 單相SISFCL等效電路

圖3中，u1、u2、u3分別為交流繞組1、2和直流繞組兩端電壓。統(tǒng)一磁路(UMEC)模型可將鐵心特性與變壓器磁路相結(jié)合，利用勵磁支路的非線性間接表示軛鐵的非線性，在模擬SISFCL非線性特征時具有較高的仿真精度，且無需繞組匝數(shù)、鐵心長度和截面積等信息[18]，降低了SISFCL電磁暫態(tài)建模難度。本文利用500 kV SISFCL樣機參數(shù)[9]和PSCAD/EMTDC中單相雙繞組UMEC變壓器元件搭建SISFCL電磁暫態(tài)仿真模型，每相的SISFCL由兩個完全相同的UMEC變壓器連接而成。為便于分析，磁路采用等長/等截面積設(shè)計，鐵心非線性特性采用默認(rèn)參數(shù)，利用恒定電阻替代壓敏電阻，IGBT于故障后5 ms斷開。

2 SISFCL對輸電線路故障特征的影響分析

SISFCL投入后的500 kV輸電系統(tǒng)如圖4所示，SISFCL安裝于MN線路斷路器CB1出口處?；诖a線路故障電流特征分析方法[19]，對SISFCL投入后的線路故障電流特征進(jìn)行分析。

圖4 SISFCL串入后的500 kV輸電系統(tǒng)

圖4中，CB1～CB4分別為線路L1、L2兩側(cè)的斷路器(也即保護安裝處)。將輸電線路和SISFCL等效為二端口網(wǎng)絡(luò)，則線路含SISFCL的等效網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。

圖5 含SISFCL的兩端口網(wǎng)絡(luò)

(2)

(3)

(4)

(5)

令A(yù)=e-γl表示輸電線路的傳輸參數(shù)，并令：

(6)

(7)

則保護CB1處測量電流的頻域表達(dá)式變換為：

(8)

將式(10)表示為無窮級數(shù)和的形式可得：

(9)

系統(tǒng)發(fā)生短路時，若線路不連接SISFCL，故障電流中的諧波及直流分量將衰減至零，故障穩(wěn)態(tài)電流只含有工頻分量。若故障回路包含SISFCL，由式(6)～(9)可知，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路時，ka、kb值受ZSIS影響將發(fā)生改變，從而導(dǎo)致故障分量電流發(fā)生變化，保護安裝處測量電流的各次諧波分量特征亦將發(fā)生變化。

SISFCL工作于限流狀態(tài)時，其阻抗的非線性特征明顯。由圖2可知，在短路電流過零點附近(也即SISFCL的B-H曲線[a,b]區(qū)間內(nèi))，SISFCL阻抗很大；而在短路電流其它點(也即SISFCL的B-H曲線[a,c]、[b,d]區(qū)間內(nèi))，SISFCL阻抗較正常運行時增大，但與短路電流過零點附近相比仍較小。定義限流系數(shù)為：

(10)

式中：If、If′分別為有、無SISFCL時CB1處短路電流；Zk為無SISFCL時的短路阻抗；kf隨時間變化。結(jié)合SISFCL阻抗特性可知，區(qū)間[a,b]內(nèi)短路電流較小且SISFCL阻抗很大，電流幾乎為零；而區(qū)間[a,c]、[b,d]內(nèi)，短路電流較大且SISFCL阻抗相比[a,b]區(qū)間內(nèi)較小，短路電流由If降低為If′?？蓪⑾蘖骱竽骋恢芷趦?nèi)的短路電流近似分段表示：

(11)

由式(11)易知，SISFCL投入后，短路電流幅值降低，且短路電流過零點附近將出現(xiàn)明顯的電流變化平緩區(qū)間，該段時間內(nèi)電流接近于零，電流波形畸變程度增加，諧波特征將發(fā)生變化。故障到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，短路電流波形滿足奇諧波函數(shù)變化規(guī)律，短路電流奇次諧波含量將明顯增大且保持不衰減，偶次諧波含量將衰減為零。另外，SISFCL改變了故障回路的原有阻抗特性，可能會對故障電流諧波衰減特性產(chǎn)生影響。

3 SISFCL對輸電線路繼電保護的影響分析

3.1 SISFCL阻抗特性對距離保護的影響

文獻(xiàn)[15～17]分析了SISFCL對第Ⅰ類距離保護即三段式距離保護的影響，但未分析其對第Ⅱ類距離保護及工頻變化量距離保護的影響。

3.1.1 第Ⅱ類距離保護

第Ⅱ類距離保護包括正序極化電壓距離保護和補償式距離保護等，此類距離保護根據(jù)區(qū)內(nèi)外故障工作電壓與極化電壓相位的不同變化規(guī)律構(gòu)成動作判據(jù)：

(12)

(13)

(14)

SISFCL工作于限流狀態(tài)時，間接增大了區(qū)內(nèi)故障測量阻抗，可能引起第Ⅱ類距離保護區(qū)內(nèi)末端故障拒動。以BC相間短路為例說明，線路安裝SISFCL前工作電壓為：

(15)

線路安裝SISFCL后工作電壓為：

(16)

3.1.2 工頻變化量距離保護

圖6 工頻變化量距離保護動作特性

根據(jù)以上分析，線路加裝SISFCL后，若系統(tǒng)發(fā)生短路故障，SISFCL將迅速切換至限流狀態(tài)，其阻抗較正常運行時明顯增大且呈感性，短路電流得到有效降低。第Ⅰ類、第Ⅱ類及工頻變化量距離保護的正確動作依賴于故障位置的準(zhǔn)確判別，SISFCL投入間接增大了保護安裝處與故障點間的電氣距離，使得各類距離保護區(qū)內(nèi)末端故障拒動風(fēng)險明顯增加。此外，由于故障期間SISFCL阻抗呈感性，當(dāng)發(fā)生正向或反向區(qū)外故障時，SISFCL對各類距離保護的正確動作并無影響。

3.2 SISFCL勵磁特性對負(fù)序方向保護的影響

負(fù)序方向保護作為一種超/特高壓大容量遠(yuǎn)距離輸電領(lǐng)域重要的方向縱聯(lián)保護，具有如下優(yōu)勢：不受系統(tǒng)振蕩、負(fù)載電流、過渡電阻、平行線零序互感影響；針對由不對稱故障發(fā)展而來的三相短路，能夠可靠動作；負(fù)序分量以相間為回路，抗分布電容能力較強。

負(fù)序方向保護正方向元件動作方程為：

(17)

反方向元件動作方程為：

(18)

目前，SISFCL結(jié)構(gòu)基本為三相共用直流勵磁，其阻抗大小與交流繞組電流大小相關(guān)。系統(tǒng)正常運行時，SISFCL突然失磁將導(dǎo)致各相阻抗顯著增大，各時刻的三相電流瞬時值不同，故失磁后三相阻抗不對稱程度將明顯上升，尤其在輸電線路大負(fù)荷運行方式下，將產(chǎn)生幅值較大的負(fù)序電流/電壓。而SISFCL阻抗呈感性，其阻抗角與輸電線路阻抗角接近，直流失磁后CB1處負(fù)序電壓、電流滿足原稿式(17)，故輸電線路繼電保護裝置中負(fù)序方向保護的正方向元件將會啟動。另外，故障切除后，若故障相SISFCL恢復(fù)時間較長，將造成故障恢復(fù)期間三相不對稱時間增加，負(fù)序方向保護可能再次動作，系統(tǒng)故障時間延長，進(jìn)而對系統(tǒng)產(chǎn)生更大的危害。三相不對稱程度取決于SISFCL工作狀態(tài)、線路長度及SISFCL阻抗相對于系統(tǒng)阻抗的大小。

3.3 SISFCL限流器對斷路器開斷能力的影響

斷路器開斷時間的主要影響因素為觸頭燃弧起始階段的短路電流幅值及燃弧持續(xù)時間[20]。觸頭燃弧起始階段短路電流幅值主要受短路電流穩(wěn)態(tài)值與衰減直流分量影響。斷路器觸頭剛分離時有電弧續(xù)流，電流過零時電弧漸漸熄滅，觸頭逐漸分離，當(dāng)觸頭間電壓隨觸頭分離而迅速上升并超過恢復(fù)電壓時，達(dá)到設(shè)計開距后完成開斷。

由式(10)、(11)知，SISFCL工作于限流狀態(tài)時，短路電流穩(wěn)態(tài)值與直流分量均會減小，即觸頭燃弧起始階段的短路電流幅值降低；SISFCL阻抗值僅在短路電流過零點附近很大，該段時間短路電流大小幾乎為零，將會出現(xiàn)明顯的電流變化平緩區(qū)間，斷路器熄弧時間間接增長，有利于斷路器的快速開斷。因此，從燃弧起始階段短路電流幅值大小和熄弧時間兩方面考慮，SISFCL對斷路器的故障開斷能力具有一定提升作用。

4 仿真分析

通過PSCAD/EMTDC搭建含SISFCL的500 kV雙端供電系統(tǒng)模型，如圖7所示。CB1～CB4表示線路L1、L2兩側(cè)保護；k1～k4分別表示線路中點、SISFCL出口處、線路末端和CB1出口處的故障。

圖7 SISFCL接入500 kV輸電線路示意圖

4.1 正常運行時SISFCL工作特性

系統(tǒng)正常運行時，一次交流繞組兩端電壓、電流波形如圖8所示。

圖8 正常運行時一次繞組電壓/電流波形

由圖8可知，系統(tǒng)正常運行時，一次繞組電流/電壓接近標(biāo)準(zhǔn)工頻正弦波，SISFCL兩端電壓降較低。定義限流器阻抗ZSIS=uSIS/i1，uSIS為SISFCL兩端電壓，i1為一次交流繞組電流，則SISFCL阻抗波形如圖9所示。

圖9 SISFCL阻抗波形

由圖9可知，SISFCL阻抗呈周期非線性特征，其值僅在交流電流過零點附近較大，有效值為1.47 Ω，正常運行時帶來的額外損耗較小，對系統(tǒng)正常運行基本無影響。

4.2 SISFCL限流特性

以K1點發(fā)生永久性三相短路(過渡電阻為0)故障為例，驗證SISFCL的限流特性。故障發(fā)生時刻為1.0 s，故障5 ms后IGBT斷開，限流前后保護CB1處A相測量電流如圖10所示，直流勵磁電流如圖11所示。

圖10 限流前后A相短路電流波形

圖11 A相直流勵磁電流波形

對比圖10中限流前后短路電流波形發(fā)現(xiàn)，SISFCL能夠有效降低短路電流。經(jīng)計算，故障穩(wěn)態(tài)期間SISFCL阻抗明顯增大，有效值為24.48 Ω。由圖11可知，IGBT斷開后5 ms(故障后10 ms)內(nèi)，直流勵磁電流衰減至零，SISFCL響應(yīng)速度較快，限流特性良好。另外，由圖10可知，加入SISFCL后，短路電流波形過零點附近出現(xiàn)明顯的電流變化平緩區(qū)間，該段時間內(nèi)電流幾乎為零，波形畸變嚴(yán)重，交變分量不再是正弦波，諧波特征發(fā)生變化。

4.3 SISFCL投入后的輸電線路故障特征

短路故障包括接地故障和相間故障，分別以A相接地和BC相間短路故障為例，研究不同故障初相角及不同故障位置下SISFCL線路的故障諧波特征。當(dāng)K1點發(fā)生金屬性A相接地及BC相間短路時(故障發(fā)生時刻為1.0 s、持續(xù)時間為10 s，故障初相角0°)，短路電流波形分別如圖12、圖13。

圖12 A相電流(單相接地)

由圖12、圖13可知，系統(tǒng)發(fā)生單相接地或兩相短路故障時，短路電流波形過零點附近亦會出現(xiàn)明顯的電流平緩區(qū)間，系統(tǒng)諧波特征發(fā)生變化。同時不難發(fā)現(xiàn)，故障到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，短路電流波形為奇諧波函數(shù)，通過FFT分析SISFCL線路的故障諧波含量。根據(jù)FFT理論，奇諧波函數(shù)不含偶次諧波，因此故障到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，短路電流奇次諧波含量將增大且保持不衰減，偶次諧波含量衰減為零。

圖13 B相電流(相間短路)

圖14給出了SISFCL退出、投入狀態(tài)下，線路K1點發(fā)生永久性A相接地故障時(過渡電阻為0，故障初相角為0°)，A相短路電流各次諧波分量有效值；圖15給出了SISFCL退出、投入狀態(tài)下，線路K1點發(fā)生永久性BC相間短路故障時(過渡電阻為0，故障初相角為0°)，B相短路電流各次諧波分量有效值?？紤]高次諧波含量低且衰減時間快，圖14、圖15只給出2～16次諧波電流有效值變化情況。

圖14 A相短路電流諧波含量(A相接地)

對比SISFCL退出和投入狀態(tài)下的短路電流諧波頻率分布及含量大小可知，線路投入SISFCL后：

(1)短路電流奇次諧波特征：故障暫態(tài)期間，奇次諧波除幅值降低外其余特征變化并不明顯；故障到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，奇次諧波分量明顯增大且保持不衰減，尤其是3、5、7次低頻諧波，頻率越高幅值越低。

(2)短路電流偶次諧波特征：故障暫態(tài)期間，偶次諧波幅值降低，時間衰減常數(shù)顯著增大。當(dāng)故障到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，偶次諧波亦會衰減至零，與線路未安裝SISFCL時的偶次諧波衰減規(guī)律相似。

表1、表2分別給出了SISFCL退出、投入狀態(tài)下，當(dāng)線路K1點發(fā)生永久性A相接地或BC相間短路時(過渡電阻為0，故障初相角為0°、90°)，短路電流奇次/偶次諧波時間衰減常數(shù)、故障穩(wěn)態(tài)期間短路電流工頻分量、奇次/偶次諧波諧波有效值及對應(yīng)的諧波畸變率。當(dāng)K2、K3和K4處發(fā)生故障時，短路電流諧波分析結(jié)果見附錄表1～表6。

由表1、表2及附錄表1～6可得以下結(jié)論：

表1 K2點A相接地短路電流(A相)工頻分量及諧波畸變率

表2 K2點BC相間故障短路電流(B相)工頻分量及諧波畸變率

(1)當(dāng)SISFCL出口處發(fā)生短路時，短路電流幅值較大，保護CB1處測量阻抗為SISFCL阻抗，而SISFCL阻抗僅在短路電流過零附近較大，偶次諧波衰減時間大幅增加。

(2)當(dāng)保護CB1與SISFCL之間發(fā)生短路時，線路L1的M側(cè)短路回路并不包含SISFCL，短路電流諧波特征不受SISFCL影響，與線路未投入SISFCL時的諧波特征相同。

(3)當(dāng)線路末端發(fā)生短路時，短路電流諧波特征與圖14、圖15分析結(jié)果相似。

圖15 B相短路電流諧波含量(相間短路)

綜上，系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，若故障回路包含SISFCL，短路電流諧波特征將發(fā)生明顯變化，故障穩(wěn)態(tài)期間奇次諧波含量增大且保持不衰減；偶次諧波時間衰減常數(shù)明顯增大，且與故障點位置關(guān)系密切，若故障點位置位于SISFCL出口附近，則偶次諧波時間衰減常數(shù)變化規(guī)律與K2點分析結(jié)果相似；若故障點位置離SISFCL較遠(yuǎn)，則時間衰減常數(shù)變化規(guī)律與K1、K3點分析結(jié)果相似。若故障回路不包含SISFCL，短路電流諧波特征與未投入SISFCL時的諧波特征相同。

對于含有SISFCL的輸電線路，各類距離保護區(qū)內(nèi)末端故障拒動風(fēng)險增加，輸電線路繼電保護可靠性大幅降低，嚴(yán)重阻礙了SISFCL在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用。研究SISFCL對輸電線路故障諧波特征的影響，可以為含SISFCL的輸電線路提供繼電保護新思路，對進(jìn)一步提升線路保護性能具有重要意義。

4.4 SISFCL對線路繼電保護系統(tǒng)影響的仿真分析

SISFCL對輸電線路各類距離保護的影響均表現(xiàn)為增加了距離保護區(qū)內(nèi)末端故障拒動風(fēng)險，已有文獻(xiàn)針對三段式距離保護的拒動現(xiàn)象進(jìn)行了仿真驗證，故僅對負(fù)序分量保護動作特性及斷路器開斷能力進(jìn)行仿真。

4.4.1 負(fù)序方向保護

當(dāng)系統(tǒng)正常運行時，若SISFCL突然發(fā)生直流失磁，直流失磁時間為1.0 s，CB1處負(fù)序電壓/電流基波有效值如圖16所示。

圖16 負(fù)序電壓、電流有效值

由圖16可知，SISFCL直流突然失磁后，三相阻抗不對稱程度明顯增加，負(fù)序分量較正常運行時明顯增大，尤其在線路大負(fù)荷運行方式下，負(fù)序分量將會更高。SISFCL阻抗呈感性，其阻抗角與輸電線路阻抗角接近，直流失磁后圖7中CB1處負(fù)序電壓、電流滿足式(17)。輸電線路繼電保護裝置檢測到系統(tǒng)異常運行后，負(fù)序方向保護的正方向元件會啟動。故障恢復(fù)期間，誤動原理與之類似，不再贅述。

4.4.2 斷路器開斷能力

當(dāng)K1點發(fā)生金屬性A相接地故障(故障時刻為1.0 s、持續(xù)時間為10 s)時，A相短路電流及其直流分量波形如圖17所示。

圖17 A相短路電流及其直流分量波形

由圖17(a)知，SISFCL接入線路后，短路電流幅值降低，短路電流過零點附近出現(xiàn)明顯的電流變化平緩區(qū)間，該段時間內(nèi)電流幾乎為零，且無短路電流過零延時現(xiàn)象；由圖17(b)知，直流分量得到有效抑制，直流分量衰減時間較未投入SISFCL時變化不大。由此可見，SISFCL投入后，觸頭燃弧起始階段的短路電流幅值降低、電弧熄滅時間增加，斷路器的開斷能力得到提升。

綜上，仿真結(jié)果表明，SISFCL串入線路后，輸電線路故障特征發(fā)生變化。系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，短路電流增大，為限制短路電流SISFCL阻抗增大，故障到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，短路電流奇次諧波含量上升且保持不衰減，偶次諧波最終衰減至零，但時間衰減常數(shù)明顯增加，且衰減特性受故障點位置影響。短路期間，保護安裝處測量阻抗明顯增大，各類距離保護區(qū)內(nèi)末端故障拒動風(fēng)險增加。若系統(tǒng)正常運行時SISFCL突然發(fā)生直流失磁，或SISFCL直流勵磁恢復(fù)時間過長，將造成負(fù)序保護誤動；另外，SISFCL工作于限流狀態(tài)時，一定程度上提升了斷路器的故障開斷能力。仿真結(jié)果與理論分析相符合。

5 輸電線路繼電保護應(yīng)對策略

(1)前文分析表明，系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，若故障回路包含SISFCL，則該回路故障穩(wěn)態(tài)期間短路電流低頻段奇次諧波含量上升且不衰減；若故障回路不包含SISFCL，則該回路故障穩(wěn)態(tài)期間短路電流低頻段奇次諧波含量衰減為零。對于含有SISFCL的輸電線路，區(qū)內(nèi)故障時，線路兩側(cè)保護對應(yīng)的故障回路僅一側(cè)含有SISFCL；而區(qū)外故障時，兩側(cè)保護對應(yīng)的故障回路均含有SISFCL。故可通過此差異識別區(qū)內(nèi)外故障，實現(xiàn)步驟為：

第1步：根據(jù)故障穩(wěn)態(tài)期間短路電流低頻段奇次諧波能量差異，判斷輸電線路兩側(cè)保護對應(yīng)故障回路是否含有SISFCL。

第2步：基于第1步分析結(jié)果，結(jié)合區(qū)內(nèi)外故障時線路兩側(cè)保護對應(yīng)故障回路是否含有SISFCL的差異性識別區(qū)內(nèi)外故障。

該方法能夠可靠識別區(qū)內(nèi)外故障，且不受故障類型、故障位置、過渡電阻及故障初相角的影響。可作為含SISFCL輸電線路的后備保護，與距離保護配合使用，避免了距離保護定值重新整定難度較大的問題，提高了輸電線路繼電保護可靠性。

(2)為避免正常運行時SISFCL直流失磁帶來的負(fù)序方向保護誤動問題，SISFCL應(yīng)加裝直流失磁保護，實時監(jiān)測直流勵磁系統(tǒng)，一旦發(fā)現(xiàn)正常運行時SISFCL直流勵磁工作異常，立即通過隔離開關(guān)屏蔽失磁相SISFCL；為避免故障恢復(fù)期間負(fù)序保護再次動作，應(yīng)從SISFCL勵磁恢復(fù)角度考慮，使限流器在完成限流后盡快恢復(fù)至低阻態(tài)，從而達(dá)到電網(wǎng)重合閘要求。

6 結(jié) 論

(1)SISFCL串入后，輸電線路故障特征愈加復(fù)雜。故障穩(wěn)態(tài)期間，SISFCL阻抗呈明顯的周期非線性特征，短路電流奇次諧波含量上升且不衰減；偶次諧波最終衰減至零，但時間衰減常數(shù)明顯增加，衰減特性與故障點位置關(guān)系密切。

(2)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，SISFCL使得各類距離保護區(qū)內(nèi)末端故障拒動風(fēng)險增加。若系統(tǒng)正常運行時SISFCL直流側(cè)突然失磁，或故障相SISFCL勵磁恢復(fù)時間過長，將會導(dǎo)致系統(tǒng)負(fù)序電壓/電流含量上升，尤其在大負(fù)荷運行方式下，負(fù)序方向保護可能發(fā)生誤動。

(3)SISFCL串入線路后，觸頭燃弧起始階段短路電流幅值降低、熄弧時間增加，且無短路電流過零延時現(xiàn)象，斷路器的開斷能力得到提升。

(4)針對SISFCL對輸電線路距離保護和負(fù)序方向保護的影響提出了初步的應(yīng)對策略，在后續(xù)的工作中進(jìn)一步細(xì)化。