攻關超導限流技術(shù)提升電網(wǎng)安全運行水平

 

近日，10千伏磁偏置超導限流器樣機在國網(wǎng)遼寧省電力有限公司66千伏張臺子變電站完成掛網(wǎng)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(wǎng)大容量短路限流保護技術(shù)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(wǎng)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(wǎng)局部短路容量大。磁偏置超導限流器可限制電網(wǎng)的短路容量，強化電網(wǎng)保護運行特性，解決電網(wǎng)大容量保護問題。

 

實現(xiàn)超導限流技術(shù)突破

 

2016年，遼寧電網(wǎng)一座220千伏變電站出現(xiàn)53千安培的短路電流，超過了電網(wǎng)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(xiàn)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(wǎng)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(wǎng)大容量短路故障限流問題提供新的技術(shù)路線。

 

為此，國網(wǎng)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(lián)合中國科學院合肥物質(zhì)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(wǎng)公司科技項目和國網(wǎng)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(wǎng)運行研究。

 

“攻關團隊剛成立時，對超導限流器技術(shù)了解不夠深入，只知道是超導技術(shù)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(xiàn)超導阻抗快速下降，如何實現(xiàn)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(shù)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(shù)’的石頭，過‘限流器’的河。”遼寧電科院超導限流技術(shù)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(shù)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(shù)達到國際領先水平。

 

在該裝置研發(fā)過程中，實現(xiàn)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(shù)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(jié)構(gòu)，解決了磁偏置超導限流器的阻抗特性配合問題。

 

完成并網(wǎng)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(wǎng)性能試驗。用試驗系統(tǒng)模擬真實電網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)試驗系統(tǒng)，設計試驗電路與系統(tǒng)參數(shù)，經(jīng)過幾十次試驗系統(tǒng)調(diào)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(gòu)建典型城市電網(wǎng)模型，掌握了多種運行模式下的限流效果，實現(xiàn)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(wǎng)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(jié)果證明，磁偏置超導限流器樣機具備10千伏并網(wǎng)能力并具有快速限流響應能力，為解決電網(wǎng)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(wǎng)試驗為期14天，標志著攻關團隊在高溫超導限流技術(shù)領域取得了關鍵技術(shù)突破。

 

超導限流器掛網(wǎng)示范應用

 

“成功了！10千伏磁偏置超導限流器實現(xiàn)了掛網(wǎng)運行。”10月26日，中國電科院超導限流技術(shù)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(wǎng)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(wǎng)示范應用為電網(wǎng)短路故障限流治理提供了前瞻性技術(shù)實踐驗證，提升了電網(wǎng)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(wǎng)運行，攻關團隊研究含限流器的電網(wǎng)穩(wěn)定性分析方法和含磁偏置超導限流器的電網(wǎng)穩(wěn)定性及繼電保護配合技術(shù)，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(wǎng)負荷中心、變壓器出線端保護位置等。磁偏置超導技術(shù)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(shù)的工程應用。”遼寧電科院超導限流技術(shù)攻關團隊負責人韋德福介紹。
來源：國家電網(wǎng)報