隨著電力負(fù)荷的增長、新能源電力在配網(wǎng)接入比例的增加，電網(wǎng)可能出現(xiàn)短路電流超過系統(tǒng)一次設(shè)備最大保護(hù)容量的現(xiàn)象。為此，國網(wǎng)遼寧電力聯(lián)合中國電科院等8家單位開展磁偏置超導(dǎo)限流器研制關(guān)鍵技術(shù)研究和示范應(yīng)用——
近日，10千伏磁偏置超導(dǎo)限流器樣機(jī)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(yīng)用，目前設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好。這標(biāo)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(hù)技術(shù)提供了新的解決方案，也為后續(xù)超導(dǎo)限流器的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
遼寧電網(wǎng)具有重工業(yè)用電負(fù)荷大、季節(jié)性負(fù)荷變化明顯、新能源電力接入比例高等特點(diǎn)，電網(wǎng)局部短路容量大。磁偏置超導(dǎo)限流器可限制電網(wǎng)的短路容量，強(qiáng)化電網(wǎng)保護(hù)運(yùn)行特性，解決電網(wǎng)大容量保護(hù)問題。
實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)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(shí)現(xiàn)毫秒級響應(yīng)，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(guān)投切將限流阻抗引入到電網(wǎng)中，存在限流損耗大、響應(yīng)時間長的問題。磁偏置超導(dǎo)限流器依托磁偏置雙分裂電抗器限流能力強(qiáng)和超導(dǎo)材料阻抗快速響應(yīng)、低損耗的特點(diǎn)，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(xué)研究院有限公司牽頭，聯(lián)合中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院、清華大學(xué)等單位組成攻關(guān)團(tuán)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(dǎo)限流器原理研究、樣機(jī)研制及掛網(wǎng)運(yùn)行研究。
“攻關(guān)團(tuán)隊剛成立時，對超導(dǎo)限流器技術(shù)了解不夠深入，只知道是超導(dǎo)技術(shù)在故障限流方面的實(shí)際應(yīng)用。如何為超導(dǎo)限流器提供冷卻環(huán)境實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)阻抗快速下降，如何實(shí)現(xiàn)雙分裂電抗器可靠觸發(fā)和超導(dǎo)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。可以說，我們攻關(guān)團(tuán)隊是摸著‘超導(dǎo)技術(shù)’的石頭，過‘限流器’的河。”遼寧電科院超導(dǎo)限流技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊核心成員王帥介紹。
隨著研究工作的逐漸深入，攻關(guān)團(tuán)隊逐項攻克雙分裂電抗器、無感超導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)限流器樣機(jī)的研制，超導(dǎo)限流技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
在該裝置研發(fā)過程中，實(shí)現(xiàn)雙分裂電抗器與超導(dǎo)材料的阻抗特性配合是磁偏置超導(dǎo)限流器設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，直接影響設(shè)備的限流響應(yīng)時間。攻關(guān)團(tuán)隊開展了上百次研發(fā)試驗(yàn)，通過三維多物理場耦合仿真分析，在幾百種設(shè)計方案中尋找到了超導(dǎo)帶材最佳的空間布局結(jié)構(gòu)，解決了磁偏置超導(dǎo)限流器的阻抗特性配合問題。
完成并網(wǎng)性能試驗(yàn)
磁偏置超導(dǎo)限流器設(shè)計研發(fā)成功后需要通過并網(wǎng)性能試驗(yàn)。用試驗(yàn)系統(tǒng)模擬真實(shí)電網(wǎng)的短路故障特性，驗(yàn)證磁偏置超導(dǎo)限流器的限流效果，是攻關(guān)團(tuán)隊要解決的問題。
2019年，攻關(guān)團(tuán)隊在對10千伏電網(wǎng)故障特性暫態(tài)計算分析的基礎(chǔ)上，在遼寧電科院虎石臺高壓試驗(yàn)場自主設(shè)計搭建了10千伏磁偏置超導(dǎo)限流器并網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計試驗(yàn)電路與系統(tǒng)參數(shù)，經(jīng)過幾十次試驗(yàn)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(dǎo)限流器短路故障特性測試。攻關(guān)團(tuán)隊還構(gòu)建典型城市電網(wǎng)模型，掌握了多種運(yùn)行模式下的限流效果，實(shí)現(xiàn)了對磁偏置超導(dǎo)限流器的性能評估。
“磁偏置超導(dǎo)限流器樣機(jī)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(yīng)時間小于5毫秒，超導(dǎo)阻抗恢復(fù)時間為720毫秒。試驗(yàn)結(jié)果證明，磁偏置超導(dǎo)限流器樣機(jī)具備10千伏并網(wǎng)能力并具有快速限流響應(yīng)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(yàn)場主任趙義松介紹。此次并網(wǎng)試驗(yàn)為期14天，標(biāo)志著攻關(guān)團(tuán)隊在高溫超導(dǎo)限流技術(shù)領(lǐng)域取得了關(guān)鍵技術(shù)突破。
超導(dǎo)限流器掛網(wǎng)示范應(yīng)用
“成功了！10千伏磁偏置超導(dǎo)限流器實(shí)現(xiàn)了掛網(wǎng)運(yùn)行。”10月26日，中國電科院超導(dǎo)限流技術(shù)攻關(guān)團(tuán)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(yùn)行期間，線路負(fù)荷電流最大峰值為30安培，為城市輸電線路安全運(yùn)行提供保障。
磁偏置超導(dǎo)限流器能夠降低系統(tǒng)短路電流對變壓器、斷路器等設(shè)備的沖擊，解決短路故障峰值限流能力不足和穩(wěn)定運(yùn)行損耗大的問題。該裝置掛網(wǎng)示范應(yīng)用為電網(wǎng)短路故障限流治理提供了前瞻性技術(shù)實(shí)踐驗(yàn)證，提升了電網(wǎng)抗短路沖擊能力與安全運(yùn)行水平。
超導(dǎo)限流器將完成長期（半年以上）掛網(wǎng)運(yùn)行，攻關(guān)團(tuán)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(dǎo)限流器的電網(wǎng)穩(wěn)定性及繼電保護(hù)配合技術(shù)，進(jìn)一步推動超導(dǎo)限流器的推廣應(yīng)用。
“攻關(guān)團(tuán)隊研發(fā)的磁偏置超導(dǎo)限流器可應(yīng)用于電網(wǎng)負(fù)荷中心、變壓器出線端保護(hù)位置等。磁偏置超導(dǎo)技術(shù)可推廣應(yīng)用至超導(dǎo)磁儲能、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)發(fā)電機(jī)等不同類型的超導(dǎo)電力裝置，進(jìn)一步促進(jìn)高溫超導(dǎo)電力技術(shù)的工程應(yīng)用。”遼寧電科院超導(dǎo)限流技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊負(fù)責(zé)人韋德福介紹。