攻關超導限流技術提升電網安全運行水平

 

近日，10千伏磁偏置超導限流器樣機在國網遼寧省電力有限公司66千伏張臺子變電站完成掛網示范應用，目前設備運行狀態(tài)良好。這標志著這一歷時6年的項目研發(fā)成果落地，為電網大容量短路限流保護技術提供了新的解決方案，也為后續(xù)超導限流器的推廣應用奠定了基礎。

 

遼寧電網具有重工業(yè)用電負荷大、季節(jié)性負荷變化明顯、新能源電力接入比例高等特點，電網局部短路容量大。磁偏置超導限流器可限制電網的短路容量，強化電網保護運行特性，解決電網大容量保護問題。

 

實現超導限流技術突破

 

2016年，遼寧電網一座220千伏變電站出現53千安培的短路電流，超過了電網斷路器50千安培的開斷容量。常規(guī)斷路器開斷容量不足，難以實現毫秒級響應，只有采取對短路故障限流的方式，才能保證斷路器可靠動作。傳統(tǒng)的限流器通過開關投切將限流阻抗引入到電網中，存在限流損耗大、響應時間長的問題。磁偏置超導限流器依托磁偏置雙分裂電抗器限流能力強和超導材料阻抗快速響應、低損耗的特點，可為電網大容量短路故障限流問題提供新的技術路線。

 

為此，國網遼寧電力統(tǒng)籌組織，中國電力科學研究院有限公司牽頭，聯合中國科學院合肥物質科學研究院、清華大學等單位組成攻關團隊，依托多項國家電網公司科技項目和國網遼寧電力科技項目，開展磁偏置超導限流器原理研究、樣機研制及掛網運行研究。

 

“攻關團隊剛成立時，對超導限流器技術了解不夠深入，只知道是超導技術在故障限流方面的實際應用。如何為超導限流器提供冷卻環(huán)境實現超導阻抗快速下降，如何實現雙分裂電抗器可靠觸發(fā)和超導組件快速限流，這些問題并沒有成熟的技術路線和解決方案可以參考?？梢哉f，我們攻關團隊是摸著‘超導技術’的石頭，過‘限流器’的河。”遼寧電科院超導限流技術攻關團隊核心成員王帥介紹。

 

隨著研究工作的逐漸深入，攻關團隊逐項攻克雙分裂電抗器、無感超導組件、快速斷路器的研發(fā)制造難題，解決低溫循環(huán)冷卻、超導阻抗特性檢測等技術問題，于2018年完成10千伏磁偏置超導限流器樣機的研制，超導限流技術達到國際領先水平。

 

在該裝置研發(fā)過程中，實現雙分裂電抗器與超導材料的阻抗特性配合是磁偏置超導限流器設計的關鍵技術難點，直接影響設備的限流響應時間。攻關團隊開展了上百次研發(fā)試驗，通過三維多物理場耦合仿真分析，在幾百種設計方案中尋找到了超導帶材最佳的空間布局結構，解決了磁偏置超導限流器的阻抗特性配合問題。

 

完成并網性能試驗

 

磁偏置超導限流器設計研發(fā)成功后需要通過并網性能試驗。用試驗系統(tǒng)模擬真實電網的短路故障特性，驗證磁偏置超導限流器的限流效果，是攻關團隊要解決的問題。

 

2019年，攻關團隊在對10千伏電網故障特性暫態(tài)計算分析的基礎上，在遼寧電科院虎石臺高壓試驗場自主設計搭建了10千伏磁偏置超導限流器并網試驗系統(tǒng)，設計試驗電路與系統(tǒng)參數，經過幾十次試驗系統(tǒng)調試，做到了短路故障的仿真模擬，并完成了磁偏置超導限流器短路故障特性測試。攻關團隊還構建典型城市電網模型，掌握了多種運行模式下的限流效果，實現了對磁偏置超導限流器的性能評估。

 

“磁偏置超導限流器樣機在10千伏并網條件下完成了109安培的穩(wěn)態(tài)通流測試，并承受住了10倍相間短路故障電流沖擊，最大限流電阻為1.96歐姆，限流響應時間小于5毫秒，超導阻抗恢復時間為720毫秒。試驗結果證明，磁偏置超導限流器樣機具備10千伏并網能力并具有快速限流響應能力，為解決電網高壓交流短路故障提供了一種新的途徑。”遼寧電科院虎石臺高壓試驗場主任趙義松介紹。此次并網試驗為期14天，標志著攻關團隊在高溫超導限流技術領域取得了關鍵技術突破。

 

超導限流器掛網示范應用

 

“成功了！10千伏磁偏置超導限流器實現了掛網運行。”10月26日，中國電科院超導限流技術攻關團隊主要成員陳盼盼開心地說。該裝置在遼寧遼陽66千伏張臺子變電站掛網運行期間，線路負荷電流最大峰值為30安培，為城市輸電線路安全運行提供保障。

 

磁偏置超導限流器能夠降低系統(tǒng)短路電流對變壓器、斷路器等設備的沖擊，解決短路故障峰值限流能力不足和穩(wěn)定運行損耗大的問題。該裝置掛網示范應用為電網短路故障限流治理提供了前瞻性技術實踐驗證，提升了電網抗短路沖擊能力與安全運行水平。

 

超導限流器將完成長期（半年以上）掛網運行，攻關團隊研究含限流器的電網穩(wěn)定性分析方法和含磁偏置超導限流器的電網穩(wěn)定性及繼電保護配合技術，進一步推動超導限流器的推廣應用。

 

“攻關團隊研發(fā)的磁偏置超導限流器可應用于電網負荷中心、變壓器出線端保護位置等。磁偏置超導技術可推廣應用至超導磁儲能、超導變壓器、超導發(fā)電機等不同類型的超導電力裝置，進一步促進高溫超導電力技術的工程應用。”遼寧電科院超導限流技術攻關團隊負責人韋德福介紹。

來源：國家電網報