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攻关超导限流技术提升电网安全运行水平

北极星智能电网在线  来源:国家电网报    2022/11/8 14:16:06  我要投稿  

北极星智能电网在线讯:随着电力负荷的增长、新能源电力在配网接入比例的增加,电网可能出现短路电流超过系统一次设备最大保护容量的现象。为此,国网辽宁电力联合中国电科院等8家单位开展磁偏置超导限流器研制关键技术研究和示范应用——

近日,10千伏磁偏置超导限流器样机在国网辽宁省电力有限公司66千伏张台子变电站完成挂网示范应用,目前设备运行状态良好。这标志着这一历时6年的项目研发成果落地,为电网大容量短路限流保护技术提供了新的解决方案,也为后续超导限流器的推广应用奠定了基础。

辽宁电网具有重工业用电负荷大、季节性负荷变化明显、新能源电力接入比例高等特点,电网局部短路容量大。磁偏置超导限流器可限制电网的短路容量,强化电网保护运行特性,解决电网大容量保护问题。

实现超导限流技术突破

2016年,辽宁电网一座220千伏变电站出现53千安培的短路电流,超过了电网断路器50千安培的开断容量。常规断路器开断容量不足,难以实现毫秒级响应,只有采取对短路故障限流的方式,才能保证断路器可靠动作。传统的限流器通过开关投切将限流阻抗引入到电网中,存在限流损耗大、响应时间长的问题。磁偏置超导限流器依托磁偏置双分裂电抗器限流能力强和超导材料阻抗快速响应、低损耗的特点,可为电网大容量短路故障限流问题提供新的技术路线。

为此,国网辽宁电力统筹组织,中国电力科学研究院有限公司牵头,联合中国科学院合肥物质科学研究院、清华大学等单位组成攻关团队,依托多项国家电网公司科技项目和国网辽宁电力科技项目,开展磁偏置超导限流器原理研究、样机研制及挂网运行研究。

“攻关团队刚成立时,对超导限流器技术了解不够深入,只知道是超导技术在故障限流方面的实际应用。如何为超导限流器提供冷却环境实现超导阻抗快速下降,如何实现双分裂电抗器可靠触发和超导组件快速限流,这些问题并没有成熟的技术路线和解决方案可以参考。可以说,我们攻关团队是摸着‘超导技术’的石头,过‘限流器’的河。”辽宁电科院超导限流技术攻关团队核心成员王帅介绍。

随着研究工作的逐渐深入,攻关团队逐项攻克双分裂电抗器、无感超导组件、快速断路器的研发制造难题,解决低温循环冷却、超导阻抗特性检测等技术问题,于2018年完成10千伏磁偏置超导限流器样机的研制,超导限流技术达到国际领先水平。

在该装置研发过程中,实现双分裂电抗器与超导材料的阻抗特性配合是磁偏置超导限流器设计的关键技术难点,直接影响设备的限流响应时间。攻关团队开展了上百次研发试验,通过三维多物理场耦合仿真分析,在几百种设计方案中寻找到了超导带材最佳的空间布局结构,解决了磁偏置超导限流器的阻抗特性配合问题。

完成并网性能试验

磁偏置超导限流器设计研发成功后需要通过并网性能试验。用试验系统模拟真实电网的短路故障特性,验证磁偏置超导限流器的限流效果,是攻关团队要解决的问题。

2019年,攻关团队在对10千伏电网故障特性暂态计算分析的基础上,在辽宁电科院虎石台高压试验场自主设计搭建了10千伏磁偏置超导限流器并网试验系统,设计试验电路与系统参数,经过几十次试验系统调试,做到了短路故障的仿真模拟,并完成了磁偏置超导限流器短路故障特性测试。攻关团队还构建典型城市电网模型,掌握了多种运行模式下的限流效果,实现了对磁偏置超导限流器的性能评估。

“磁偏置超导限流器样机在10千伏并网条件下完成了109安培的稳态通流测试,并承受住了10倍相间短路故障电流冲击,最大限流电阻为1.96欧姆,限流响应时间小于5毫秒,超导阻抗恢复时间为720毫秒。试验结果证明,磁偏置超导限流器样机具备10千伏并网能力并具有快速限流响应能力,为解决电网高压交流短路故障提供了一种新的途径。”辽宁电科院虎石台高压试验场主任赵义松介绍。此次并网试验为期14天,标志着攻关团队在高温超导限流技术领域取得了关键技术突破。

超导限流器挂网示范应用

“成功了!10千伏磁偏置超导限流器实现了挂网运行。”10月26日,中国电科院超导限流技术攻关团队主要成员陈盼盼开心地说。该装置在辽宁辽阳66千伏张台子变电站挂网运行期间,线路负荷电流最大峰值为30安培,为城市输电线路安全运行提供保障。

磁偏置超导限流器能够降低系统短路电流对变压器、断路器等设备的冲击,解决短路故障峰值限流能力不足和稳定运行损耗大的问题。该装置挂网示范应用为电网短路故障限流治理提供了前瞻性技术实践验证,提升了电网抗短路冲击能力与安全运行水平。

超导限流器将完成长期(半年以上)挂网运行,攻关团队研究含限流器的电网稳定性分析方法和含磁偏置超导限流器的电网稳定性及继电保护配合技术,进一步推动超导限流器的推广应用。

“攻关团队研发的磁偏置超导限流器可应用于电网负荷中心、变压器出线端保护位置等。磁偏置超导技术可推广应用至超导磁储能、超导变压器、超导发电机等不同类型的超导电力装置,进一步促进高温超导电力技术的工程应用。”辽宁电科院超导限流技术攻关团队负责人韦德福介绍。(王飞鸣 诸嘉慧 赵东旭)

原标题:攻关超导限流技术 提升电网安全运行水平

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