国产公里级高温超导线路保护优化方案

余洪，梁臣，吴通华,3，孙良凯，李延新，谢伟

(1.智能电网保护和控制国家重点实验室，江苏 南京 211106；2.南瑞集团有限公司，江苏 南京 211106；3.河海大学 能源与电气学院，江苏 南京 210098；4.国网上海市电力有限公司，上海 200122)

随着技术的发展，超导材料被越来越广泛地应用于电力系统领域，典型应用是作为故障限流器[1-2]，利用超导带材的失超特性有效抑制故障电流大小。随着高温超导(high temperature superconducting，HTS)输电技术的突破，其更具前景的应用是作为输电线缆。高温超导电缆相比于常规电缆具有传输能量大、线路损耗低、环境污染小、结构紧凑等特点，传输同等容量时，超导线路可以降低1～2个电压等级，适合在大城市及城市密集区使用[3]。世界上第1组并网运行的高温超导电缆是由美国南线公司研制的30 m、30 kV、1 250 A高温超导电缆，于1999年底并网运行[4]；2004年7月10日，我国第1组长度为33.5 m的高温超导电缆系统在云南昆明普吉变电站投入运行[5]。随着高温超导电缆研制技术的发展，长距离的超导输电项目相继出现：德国Essen市2013年完成了Ampactiy三相同轴高温超导电缆项目[6]，该项目是世界首条公里级的超导输电电缆，线路于2014年4月开始正式供电；文献[7]介绍了阿姆斯特丹计划建设的超导工程项目，高温超导电缆长度达到6 km；我国在2019年启动了公里级高温超导电缆示范工程的建设[8]，未来长距离高温超导电缆输电研究成为趋势。

在超导线路继电保护的研究方面：文献[5]介绍了一种基于不同电流水平的三层保护方案，此方案以电流保护为主保护，对于长距离高温超导电缆，无法实现电缆全长范围区内故障的快速切除；文献[9]介绍了韩国济州岛1 km、154 kV、2 250 A高温超导电缆示范工程的情况，项目配置了传统的差动保护作为主保护，未讨论超导线路后备保护的配置方案。从已有文献来看，目前关于超导线路保护特别是电气量保护方面的研究较少，并且没有完整的主保护、后备保护及故障恢复方案介绍。因此有必要研究公里级乃至更长距离超导线路电气特性，以便确定完整的继电保护配置方案。

本文从高温超导电缆电气特性入手，分析传统线路保护方案应用于超导线路保护的适应性，针对存在的问题，提出公里级高温超导线路的保护优化方案；并结合示范工程的实际情况，提出一种基于网络信息交互的超导线路与备用常规线路的切换方案。

1 高温超导电缆特性及保护适应性

1.1 示范工程简介

上海公里级高温超导电缆示范应用场景选择长春站—漕溪站线路，一次系统如图1所示。鉴于高温超导电缆体积小、重量轻、损耗低和传输容量大的优点，尝试用超导线路替代常规线路。新建1条220 kV长春站至220 kV漕溪站的35 kV超导线路，最大输送电流2 200 A，由长春站35 kV四段母线供漕溪站35 kV五段母线及35 kV六段母线，原有长春站至漕溪站的常规线路春漕833甲线、春漕833乙线改为备用线路。

图1 公里级高温超导电缆示范工程接线

公里级高温超导电缆系统主要由超导电缆本体、中间接头、终端和制冷系统4个部分组成，结构如图2所示。超导电缆采用三相统包型冷绝缘方式。电缆终端作为电缆端头，是超导电缆与外部电气设备之间以及冷却介质和制冷设备之间的连接通道。公里级长度超导线路会有中间接头来连接电缆，达到长距离输电的目的。

图2 公里级高温超导电缆系统结构

1.2 高温超导电缆电气特性

超导体运行在超导态时有3个临界值：临界温度Tc、临界磁场Hc和临界电流Ic。研究表明，超导体在运行过程中上述3个基本参量中的任一个超过临界值，超导体的超导性就会消失，部分进入“正常态”。

高温超导电缆的电气参数取决于超导电缆所用的材料和几何尺寸，图3为三相统包超导电缆典型结构，由内到外依次为铜支撑体、超导导体层、绝缘层、超导屏蔽层、铜屏蔽层、液氮层和铠装层。与同电压等级的常规电力电缆相比，高温超导电缆电气参数有如下特点：超导电缆在超导态的时候电阻基本为零；超导电缆的电感近似与三相间的距离的对数成正比；超导电缆的电容大于常规电缆的电容，这是因为两者绝缘层厚度基本一致，由于超导电缆中具有冷却通道导致导电线芯等效半径增大，从而使电容增大。

图3 三相超导电缆典型结构

1.3 对保护的要求

高温超导电缆系统为重要的电力设备，其故障类型可分为超导带材本体故障和制冷、循环等系统故障。前者主要是电流短路故障，通过保护装置检测；后者主要是非电气量故障，由失超故障识别单元检测。超导电缆系统发生故障后如果不能及时可靠地退出运行，可能会烧坏超导线材，也可导致液氮体积急增，甚至损坏电缆系统。

超导电缆在超导态时电气特性与常规电缆线路相比差异较大，现有低压线路保护配置的距离保护、纵联差动保护、过流保护、重合闸的保护原理用在公里级超导线路上不能完全适用。

针对传统的距离保护，超导电缆在电流升高到一定值后，会出现明显的电阻特性，即导体的电阻与通过导体的电流相关，故基于R-L模型原理的距离保护不再适用。

差动保护基于基尔霍夫定律，理论上具有绝对的选择性，适用于超导线路。由于超导电缆分布电容较常规电缆大[10]，需考虑长距离超导电缆的分布电容对差动保护动作行为的影响。

超导电缆本体上一般安装有传感器，失超故障识别单元通过传感器采集导体温度、压力等非电气量信息[10-11]并进行判断。线路保护需要定义接口来接收失超故障识别单元的信号，根据信号等级制订不同的响应策略。

对于过流保护，由于超导电缆的特性，定时限过流的整定存在难度。

超导电缆发生故障一般都是永久性故障，其结构复杂，恢复供电的时间比较长，一般都会配置备用线路。超导线路传输容量大，为减少线路退出时对电网的冲击，提高输电的连续性，某些情况下可考虑先转移负荷再退超导线路，因此需要研究超导线路各种故障或异常情况下与备用线路的切换方案。

2 公里级高温超导线路保护配置方案

根据“加强主保护，简化后备保护”的原则，对于公里级高温超导线路，配置反映导体短路故障的差动保护、反映导体内部故障的失超保护作为主保护，配置过流保护作为后备保护[12]。一般认为，电缆线路中的故障几乎都是永久性的，因此不采用重合闸方式[13]。保护功能配置见表1，本节分别讨论差动保护、失超保护、过流保护的配置方案。

表1 超导线路保护功能配置

2.1 差动保护

35 kV架空线路分布电容小，电缆线路分布电容能达到架空线路的数十倍，超导电缆线路由于自身特征，其分布电容又比常规电缆线路要大，特别是发生区外故障切除、线路空载合闸等情况时，产生的线路暂态电容电流可能达到稳态电流的若干倍。基于PSCAD建立仿真系统模型，仿真参数按照本示范项目三相统包型冷绝缘高温超导电缆参数测算，见表2。

表2 超导电缆与常规电缆参数对照

正常运行时(如图4所示)，超导线路电容电流约为常规电缆线路的2.4倍。线路空载合闸时，其暂态电流较大(如图5所示)，故高温超导线路的差动保护可考虑增加电容电流补偿功能，以提高相电流差动保护反映区内故障的灵敏度。图4、5中，iC为电容电流瞬时值，t为时间。

图4 常规电缆线路与超导线路电容电流

图5 超导线路空载合闸时的电容电流

电容电流的补偿方法主要有相量补偿法、基于贝瑞隆模型补偿法、时域补偿法等[14-15]。相量补偿法难以补偿暂态电容电流；贝瑞隆模型对装置采样率要求较高且计算量大；时域补偿法可以补偿各种频率下的电容电流，对稳态和暂态电容电流都有较好的补偿效果。

采用时域补偿法，电容电流与电压之间的关系为

(1)

式中u为电压瞬时值。

图6为超导线路的π型等效电路，其中：Cpg为高温超导电缆对地电容，iCpg为对应的电容电流；Cpp为相间电容，iCpp为对应的电容电流。

图6 超导线路的π型等效电路

(2)

其中，

(3)

式(2)、(3)中：上标“a”表示A相(电压/电流)量，上标“ab、ac”表示相间(电压)量，下标“m、n”表示m侧和n侧；C0、C1分别为线路零序电容和正序电容。

保护装置采集相电压，通过离散采样点近似求导可知：

(4)

式中Δt为采样间隔时间。

(5)

式中i(t)为采样电流瞬时值。

超导线路空载合闸时,补偿前后差动电流波形如图7所示，可以看出时域补偿法对超导线路电容电流有良好的补偿效果。

图7 超导线路空载合闸时，补偿前后差动电流波形

2.2 失超保护

高温超导电缆的温度、液氮压力、液氮流量能够直观地反映超导电缆状态，所以常规的失超保护一般由对上述非电气量的监测和判断构成。失超检测方法有温升检测、压力检测、流速检测、超声波检测、电压检测等。综合考虑传感器安装技术及电缆系统结构，实际只有超导线路的端口处适合安装传感器。设置独立的失超故障识别单元，实时接收来自高温超导电缆传感器采集的非电量信息，分析动态特征并进行失超故障识别，通过预置程序向继电保护系统发送失超信号。当监视的温度、压力、流速等数据异常时，故障识别单元向保护装置发信号，信号等级分为4类，对应不同处理方案。保护信号分级：①重大故障：红色警告，继续使用将引发更严重故障，须立即断开电缆线路；②严重故障：橙色警告，较严重故障，系统需要修理维护，需切换线路；③一般故障：黄色警告警告，高温超导电缆系统异常，不影响继续供电；④系统正常：绿色信号，高温超导电缆系统一切正常。

失超故障识别单元与保护装置之间的信息传递可通过面向通用对象的变电站事件(generic object oriented substation event，GOOSE )方式，也可直接通过电缆接线实现。失超保护系统如图8所示。

图8 失超保护系统

2.3 过流保护

2.3.1 定时限过流保护

高温超导电缆在超导态时，阻抗减小，相当于减小了输电线路的电气距离，而且高温超导电缆的耐受大电流能力受限于高温超导电缆的设计参数，这些都增加了高温超导电缆定时限过流保护上下级配合的整定难度。因此，对定时限过流保护提出以下整定原则：①需配置完整的定时限快速段和远后备保护；②设计阶段需对高温超导电缆耐受电流时间曲线提出要求，保证在高温超导电缆保护拒动时，其上一级定时限过流保护延时动作时，高温超导电缆不损毁。

以图1示范工程参数建立仿真模型如图9所示，计算得出高温超导电缆内部故障及35 kV母线故障时的三相故障电流分别为17.75 kA和18.34 kA(见表3)，同时高温超导电缆在承受25 kA短路电流时，可运行3 s。因此，高温超导电缆定时限过流I段按照15 kA、0 s整定，其上一级过流II段按照15 kA、2.5 s整定，可满足上述定时限过流保护整定原则要求。

表3 示范工程三相故障电流

图9 示范工程参数模型

2.3.2 反时限过流保护

高温超导电缆发生短路后，除了考虑定时限过流保护的配合关系外，还需考虑电流导致的温升会不会对本体造成损坏。故障电流越大，导体温升越快，切除时间应越短，反时限过流保护对于保护超导体本身来讲更具适用性。

当高温超导电缆中的电流超过其临界电流Ic，导体就会由超导态变为正常态，电阻增大，故障电流将从铜基流过，产生热量，累积到一定程度会烧坏高温超导电缆。目前国内外对于超导电缆温升主要采用绝热计算法[16]，即不考虑液氮散热，热平衡过程对应的微分方程为：

(dCuSCucCu(T)+dHTSSHTScHTS(T))dT,

(6)

(7)

式中：T为电缆本体温度；ρCu为铜的电阻率；dCu、dHTS为铜和超导线材的密度；SCu、SHTS为电缆中铜和超导线材的截面积；cCu、cHTS为铜和超导线材的比热容。发生故障时，由于故障时间极短，暂不考虑铜芯与超导体的热传递，即产生的焦耳热全部被铜芯吸收，则式(7)简化为

(8)

铜在不同温度下的电阻率、比热容见表4、表5。

表4 铜在不同温度下的电阻率

表5 低温下铜的比热容

冷却管道最小压强(0.6 MPa)下液氮沸点温度约为96 K，本示范工程设定的温度上限为92.354 K，将超导材料参数代入后计算得到温升的结果。表6为超导电缆耐受电流与理论切除故障时间关系，体现了反时限特征。

表6 耐受电流与理论切除故障时间

目前国内外常用的反时限保护通用数学模型基本形式为

(9)

式中：tcalc为反时限保护动作时间；MC为反时限特性常数，取值通常在0～2；IB为基准电流；IT为动作电流；k为反时限常数。MC值的选取与反时限的应用场景相关，极端反时限的特性常数为2，常用于反映设备过热状况，适用于超导线路。

反时限过流特性如图10所示。可以看出，极端反时限动作曲线与高温超导电缆耐受电流-时间(I-t)曲线基本吻合，运用极端反时限公式取一定的裕度，可作为高温超导电缆反时限过流动作方程。当故障电流较小时，可按定时限延时动作；当故障电流过大时，反时限过流可按极端反时限曲线加速动作。

图10 反时限过流特性

3 线路切换方案

本示范工程的高温超导电缆对2条常规线路进行传输替代，2条常规线路则作为备用线路。在超导线路退出时，为了提高供电可靠性，考虑在条件允许的情况下先投常规备用线路，再退超导线路，确保供电不间断。线路切换一般是通过两站的备自投装置实现，两侧备自投装置之间普遍是通过光纤通道或通信接口装置传递信息[17-18]，其装置接线、信息交互和逻辑配合较复杂。本文提出一种通过线路保护之间的信息交互完成线路切换的方式，不需要依赖专门的备自投装置。

如图1所示，长春站35 kV四段母线通过高温超导线路带漕溪站35 kV五段、六段母线，常规线路春漕甲线、春漕乙线转为备用，春漕甲线、春漕乙线及超导线路分别配置一套光纤纵差保护。装置的通信方面，目前智能变电站普遍采用“三层两网”的系统架构[19]，随着低压保护装置标准化的推进，35 kV及以下电压等级开关柜保护装置采用制造报文规范(manufacturing message specification，MMS)与过程层GOOSE网二合一的组网方案，超导线路及2条备用线路的线路保护通过两站网络及光纤直联通道形成整体保护形态，在跳合闸逻辑上方便实现相互之间的配合。本文以超导线路与春漕甲线的切换为例说明切换原理。超导电缆输电系统如图11所示。

图11 高温超导电缆输电系统

3.1 线路切换整体流程

正常情况下漕溪站五段、六段母线由超导线路供电，春漕甲线处于热备用状态。超导体发生下述2种故障需先退出运行再合备用线路(称为方式一)：①区内短路故障，保护装置通过电气量判别动作跳闸；②超导体本体重大故障，任一侧超导线路保护装置接收失超故障识别单元的跳闸信号，动作跳本侧开关并远跳线路对侧开关。若收到故障识别单元发出的超导体发生本体严重故障的信号，保护装置先合备用线路再退超导线路(称为方式二)。超导线路跳/合闸流程如图12所示。

图12 高温超导电缆跳/合闸流程

3.2 线路切换实现过程

线路切换逻辑集成在超导线路保护3、4中，保护3通过站内GOOSE网络从保护1获取备用线路开关位置、电压状态，从春漕站故障识别单元订阅失超信息，保护4同样可以获取保护2和漕溪站故障识别单元的信息。保护3、4借助纵联光纤通道交互信息。保护装置之间的信号关系如图13所示。

图13 保护装置之间的信号关系

线路切换是基于备用电源自投的思想，为防止装置重复动作，设置了充/放电条件。方式一、方式二的充/放电条件相同，启动条件和动作过程不同。

3.2.1 线路切换充/放电条件

充电条件(逻辑与)：开关3合位；开关4合位；开关1分位；开关2分位；电源侧备用线有压。

放电条件(逻辑或)：开关3分位；开关4分位；开关1合位；保护1无压；有闭锁信号开入。

3.2.2 线路切换方式一逻辑

启动条件(逻辑或)：区内故障，保护3、4动作；保护3接收到重大故障信号；保护4接收到重大故障信号。动作逻辑如图14所示。

图14 方式一动作逻辑

若因区内故障而启动，保护3、保护4分别跳开各自开关；若因收到重大故障信号而启动，收到信号的一侧同时远跳对侧，实现两侧跳闸。开关3、4跳开后：保护3向保护1发GOOSE合闸信号，合开关1；保护4向保护2发GOOSE合闸信号，合开关2。两侧合闸延时可分别整定，合闸方式可设置为不检、检无压、检同期方式，以确定合闸先后次序，完成春漕甲线的投入。发合闸令后未收到相应开关的合位信号，则说明合闸不成功，经短延时报合闸失灵。

3.2.3 线路切换方式二逻辑

启动条件(逻辑或)：保护3接收到严重故障信号；保护4接收到严重故障信号。动作逻辑如图15所示。

图15 方式二动作逻辑

收到严重故障信号并将此信号远传至对侧，保护3向保护1发GOOSE合闸信号，合开关1；保护4接收到对侧的严重故障信号，向保护2发GOOSE合闸信号，合开关2，两侧合闸延时可分别整定，合闸方式可设置为不检、检无压、检同期方式。确认开关1和2合位后，跳开关3、4。发合闸令后未收到相应线路的合位信号，则说明合闸不成功，经短延时报合闸失灵。合闸失灵不影响开关3、4的跳闸逻辑，开关3、4未成功跳开则报对应开关跳闸失灵。

4 结束语

本文根据国产公里级高温超导电缆示范工程的需求，基于低压线路保护功能进行优化，提出长距离超导线路保护功能配置方案，以纵联差动保护和非电量(失超)保护作为主保护，以定时限过流和反时限过流作为后备保护，为提高保护的可靠性，上述保护可双重化配置。提出一种通过线路保护的网络信息交互实现线路切换的方法，不依赖专门的备自投装置，提高了供电可靠性。本方案可为公里级高温超导电缆示范工程的保护装置配置和推广应用提供参考，其实用性有待结合实际工程的具体实施进一步验证。未来随着工程的推进，在取得高温超导电缆实验数据后，将进一步研究优化超导线路的保护配置方案。