繆希仁,李 飆,吳曉梅,鮑光海,吳守龍
(福州大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院,福建 福州 350108)
隨著中壓配電系統(tǒng)負(fù)荷的迅速增長以及大容量機(jī)組不斷投入運(yùn)行,中壓電網(wǎng)的短路電流不斷增大[1-2]。不斷增大的短路電流導(dǎo)致經(jīng)常發(fā)生因變壓器近區(qū)出口短路而造成的主變壓器繞組變形等故障,使變壓器處于亞健康運(yùn)行狀態(tài),給電網(wǎng)安全運(yùn)行埋下很大隱患。此外,近年來發(fā)電廠裝機(jī)容量及其配電容量增大,大型發(fā)電機(jī)出口及廠高變出口的短路電流迅速提高。較大的短路電流對線路、設(shè)備及開關(guān)本身的動熱穩(wěn)定性提出了更高要求[3]。然而,無限度地提高斷路器或熔斷器的開斷能力及線路、設(shè)備的動熱穩(wěn)定性是很不經(jīng)濟(jì)甚至是不可能的,并且斷路器的極限分?jǐn)啻螖?shù)十分有限。
為了限制短路電流,一般可從調(diào)整電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、改變系統(tǒng)運(yùn)行方式和加裝限流設(shè)備三方面加以考慮[4]。然而調(diào)整電網(wǎng)結(jié)構(gòu)代價昂貴,改變系統(tǒng)運(yùn)行方式又容易造成電力系統(tǒng)運(yùn)行的不穩(wěn)定。文獻(xiàn)[5-7]指出在當(dāng)前的中壓配電系統(tǒng)中,裝設(shè)限流電抗器或限流熔斷器仍然是目前應(yīng)用較廣的限流措施。然而,由于限流熔斷器的開斷能力非常有限,其只能用在電壓等級較低的場合[5];而在設(shè)備端加裝電抗器則會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)損耗增加并降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性[8]。作為限制短路電流的一種措施,裝設(shè)短路電流限制器FCL(Fault Current Limiter)是一種有效的技術(shù)措施。
目前,無論是傳統(tǒng)的還是智能型的短路保護(hù)電器,大多仍采用全電流值是否大于整定值作為短路故障的判據(jù)。若用此判據(jù)判斷短路故障,由于非周期分量的存在,短路電流一般會在第1個周期內(nèi)達(dá)到電流峰值,此時短路已經(jīng)發(fā)生了 5~10 ms[7]的時間,斷路器需開斷數(shù)倍甚至數(shù)十倍于額定值的短路電流。
隨著微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)以及現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論的發(fā)展,對短路故障進(jìn)行早期檢測和有效保護(hù)已成為可能。通過有效實(shí)現(xiàn)故障早期檢測辨識,盡早實(shí)現(xiàn)FCL在故障初期投入,可大幅度提高短路保護(hù)電器分?jǐn)嗄芰癋CL的限流性能,減輕短路電流對電力系統(tǒng)及其電氣設(shè)備造成的威脅,對線路、設(shè)備及開關(guān)本身動熱穩(wěn)定性的要求也相應(yīng)降低[9]。
文獻(xiàn)[10-12]指出小波變換具有較強(qiáng)的消除白噪聲能力,且對隨機(jī)脈沖干擾也有一定抑制作用。綜合小波去噪與短路故障奇異性辨識能力,文獻(xiàn)[11-12]采用第4尺度細(xì)節(jié)分量作為低壓短路故障早期檢測的故障特征量,可在故障后200μs對大部分相角實(shí)現(xiàn)短路早期檢測特征量提取,采用TMS320F2812數(shù)字信號處理器(DSP)進(jìn)行濾波與短路故障辨識,運(yùn)算時間僅為 20.75 μs,即可在 300 μs內(nèi)實(shí)現(xiàn)低壓短路故障早期檢測與辨識。
本文將短路故障早期檢測方法引入中壓系統(tǒng),在動態(tài)模擬系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證短路故障早期檢測有效性基礎(chǔ)上,以串聯(lián)諧振型FCL為模型,提出短路故障早期檢測的FCL快速限流技術(shù),為智能配電網(wǎng)的控制與保護(hù)提供了新的思路和方法。此外,本文分析了FCL在短路故障早期的快速限流效果,并引入斷路器分?jǐn)嗫量潭戎笜?biāo),評估短路故障的早期快速FCL技術(shù)對斷路器分?jǐn)嗄芰Φ挠绊?,仿真結(jié)果表明,其在全相角范圍內(nèi)對短路電流抑制與降低斷路器對短路電流分?jǐn)嗄芰Φ囊蠓矫婢哂酗@著效果。
近年來,國內(nèi)外在FCL的研制方面取得了許多成果,其中超導(dǎo)型、電力電子型和基于常規(guī)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)型FCL成為研究與應(yīng)用熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[13-14]提出的超導(dǎo)型FCL具有響應(yīng)速度快、自觸發(fā)等特性,但由于現(xiàn)階段技術(shù)可靠性以及成本等條件限制,超導(dǎo)型FCL暫不加以討論。電力電子型FCL又稱柔性化的短路電流限制器 FSCL(Flexible Short Current Limiter),它已開始應(yīng)用于配電網(wǎng)。FSCL是用半導(dǎo)體器件替代傳統(tǒng)的開關(guān)設(shè)備以達(dá)到限流阻抗的快速切換,從而限制短路電流,其主要實(shí)現(xiàn)方案為固態(tài)FCL、功率電子器件的可控FCL以及具有可控串聯(lián)補(bǔ)償?shù)腇CL[15-16]。從技術(shù)可行性與經(jīng)濟(jì)性考慮,基于常規(guī)電氣設(shè)備或元件的經(jīng)濟(jì)型FCL,無疑是解決故障限流問題的首選。其中,基于常規(guī)電氣元件的串聯(lián)諧振型FCL,不僅可將短路電流限制到較低水平,而且具有運(yùn)行可靠性高、價格低廉和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能好等明顯優(yōu)點(diǎn),能克服現(xiàn)有限流技術(shù)的不足,但存在不可控的特點(diǎn)[17]。
本文將利用短路早期檢測判據(jù)實(shí)現(xiàn)FCL快速投切控制,因此所選的FCL模型為電力電子型與經(jīng)濟(jì)型FCL相結(jié)合,即固態(tài)可控串聯(lián)諧振型FCL,如圖1所示。圖中,F(xiàn)CL主要由電容C、旁路電感L1、串聯(lián)電感 L2、可關(guān)斷晶閘管 GTO(Gate Turn-Off thyristor)和保護(hù)用的避雷器AZnO組成。
圖1 串聯(lián)諧振型FCL拓?fù)銯ig.1 Topology of series resonant FCL
正常情況下,GTO截止,負(fù)荷電流從電容器流過,由于容抗與串聯(lián)電感L2的感抗相同,所以此時二者處于串聯(lián)諧振狀態(tài),對系統(tǒng)運(yùn)行無影響;短路故障時,控制GTO導(dǎo)通,旁路電感L1接入。L1與C選擇適當(dāng)?shù)膮?shù),并聯(lián)后可以得到較大的電抗,與L2串聯(lián)后共同限流,并且可根據(jù)不同的短路情況,即短路電流大小調(diào)節(jié)GTO的導(dǎo)通角,以改變限流程度[18]。
小波變換是時間(空間)頻率的局部化分析,通過伸縮平移運(yùn)算對信號逐步進(jìn)行多尺度細(xì)化,最終達(dá)到高頻處時間細(xì)分、低頻處頻率細(xì)分,自動適應(yīng)時頻信號分析的要求,從而可聚焦到信號的任意細(xì)節(jié),解決傅里葉變換純頻域分析的局限性[19]。
Mallat算法將信號在不同時間和不同頻率尺度上進(jìn)行分解,提取信號在各個尺度上所體現(xiàn)的特征,其小波分解的快速遞推公式為:
本文以三次B樣條函數(shù)的導(dǎo)函數(shù)為小波函數(shù),其低通及帶通濾波器的脈沖響應(yīng)系數(shù)為:g0=-2,g1=2;h-1=h2=0.125,h0=h1=0.375[12]。
由式(1)可知,在對信號實(shí)施小波分解時,其小波分量在各尺度下的計算值均用到上一尺度的平滑分量,且每一尺度下的小波分量與上一尺度的平滑分量的差分成正比,即小波分量值體現(xiàn)了信號不斷被平滑后的導(dǎo)數(shù)值。因此,它既能體現(xiàn)信號變化率的大小,又剔除了噪聲干擾的影響??紤]到前4階小波分量的濾波作用及電力系統(tǒng)故障信號奇異性的特點(diǎn)[11,20],本文將第 4 尺度分量應(yīng)用于中壓系統(tǒng)短路故障檢測。
2.2.1 基于小波的中壓短路故障早期檢測機(jī)理
圖2所示為動模實(shí)驗(yàn)室一次接線圖,其主要工作原理是利用升壓變壓器T01、T21將市電380 V升壓至800 V,模擬中壓系統(tǒng)電壓等級及其線路參數(shù)。圖2中,主要一次設(shè)備參數(shù):G01的額定功率為12 kW,額定電壓為380 V,功率因數(shù)為0.8;G02的額定視在功率為5 kV·A,瞬變電流衰減時間常數(shù) Td′為 1.88 s,額定轉(zhuǎn)速為 1500 r/min;T01采用 Y/△-11 接線形式,額定容量為15 kV·A,短路電壓為13%,變比為380 V/800 V;T21采用 Y/△-11接線,額定容量為 50 kV·A,短路電壓為13%,變比為380 V/800 V;XL31=XL32=3X,XL11=2X,X 為線路阻抗,X 的參數(shù)為 x1=7.79 Ω、r1=0.709 Ω、阻抗角 ψ=84.8°。
圖2 中壓動模實(shí)驗(yàn)室一次接線圖Fig.2 Primary wiring diagram of mid-voltage dynamic simulation lab
根據(jù)圖2動模實(shí)驗(yàn)接線方式及設(shè)備參數(shù)配置,利用MATLAB的Simulink工具箱建立中壓動模實(shí)驗(yàn)線路仿真模型,并在全相角范圍內(nèi),以故障電流瞬時標(biāo)幺值與小波分解第4尺度細(xì)節(jié)分量瞬時標(biāo)幺值隨時間變化情況,闡述中壓短路故障早期檢測的機(jī)理;同時,為了說明本文提出的中壓故障早期檢測方法不受中壓系統(tǒng)線路負(fù)載突變的影響,本文將全相角范圍內(nèi)1.5倍突變負(fù)載電流小波分解第4尺度細(xì)節(jié)分量標(biāo)幺值的最大值與短路電流小波分解第4尺度細(xì)節(jié)分量標(biāo)幺值加以比較分析。上述標(biāo)幺值均以正常運(yùn)行時各量幅值為基值。
對于中壓交流系統(tǒng),故障發(fā)生瞬間電源電壓或線路電流相角(即故障初相角)對故障后短路電流的發(fā)展影響很大。圖3以10°故障初相角為間隔,給出了故障發(fā)生后4個不同時刻短路電流及其小波分解第4尺度細(xì)節(jié)分量標(biāo)幺值與故障初相角之間的關(guān)系,并給出全相角范圍內(nèi)1.5倍突變負(fù)載電流小波分解第4尺度細(xì)節(jié)分量標(biāo)幺值的最大值。圖3中,ds4為短路電流小波第4尺度細(xì)節(jié)分量標(biāo)幺值;is為短路故障電流瞬時標(biāo)幺值;dl4為全相角下1.5倍突變負(fù)載電流小波第4尺度細(xì)節(jié)分量標(biāo)幺值的最大值。
圖3 各變量早期不同時刻隨初相角變化情況Fig.3 Variation curve vs.initial phase angle for different variables and different instants in early period
從圖3可見,在故障發(fā)生早期即短路故障電流較小時,采用短路電流小波分解第4尺度細(xì)節(jié)分量標(biāo)幺值,已可在全相角范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)負(fù)載突變與短路故障的有效區(qū)分;而且故障發(fā)生400 μs之后,短路電流第4尺度小波分量標(biāo)幺值均明顯大于全相角下1.5倍突變負(fù)載電流小波第4尺度分量標(biāo)幺值的最大值。這表明,設(shè)置適當(dāng)?shù)拈撝?,不僅可實(shí)現(xiàn)短路故障早期檢測,而且可有效避免中壓線路負(fù)載突變引起誤判。
2.2.2 中壓短路故障早期檢測實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
本文以TMS320F2812為核心處理器,以小波分解第4尺度細(xì)節(jié)分量瞬時標(biāo)幺值為判據(jù)并設(shè)置適當(dāng)?shù)墓收吓卸ㄩ撝?,開發(fā)了中壓短路快速檢測裝置,在動模實(shí)驗(yàn)室工況環(huán)境下驗(yàn)證中壓短路故障早期檢測的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
圖4為動模實(shí)驗(yàn)室短路故障三相電流波形、不同故障初相角下故障相電流及短路早期故障檢測裝置脫扣信號實(shí)測波形(實(shí)驗(yàn)中均轉(zhuǎn)換為電壓形式)。
本文經(jīng)多次不同故障初相角短路試驗(yàn)得出,中壓動模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在單相短路故障時,從短路發(fā)生到給出故障早期檢測脫扣信號的時間為400~700 μs,驗(yàn)證了中壓系統(tǒng)短路故障早期檢測的可行性。
圖4 故障相電流和脫扣信號實(shí)測波形Fig.4 Measured waveform of faulty phase currents and trip signals
本文以圖5所示中壓配電系統(tǒng)為例,利用MATLAB仿真饋線短路故障情況,在此基礎(chǔ)上分析短路故障早期檢測的快速限流技術(shù)。圖5中,系統(tǒng)電源等值為單機(jī)無窮大,35 kV等級;系統(tǒng)為中性點(diǎn)接地接線方式,電源初相角為90°;線路長度l=50 km,線路電阻r=0.02 Ω/km,線路電導(dǎo) b=4.804μS/km,線路電抗x=0.28 Ω/km;變壓器的變比為 37 kV/10.5 kV,短路阻抗百分比為7.5%,空載電流百分比為0.8%,短路損耗Ps=12 kW,空載損耗P0=24 kW,額定容量Sb=7.5 MV·A[21]。故障點(diǎn)在靠近變壓器側(cè),故障設(shè)置在系統(tǒng)正常運(yùn)行后50 ms時發(fā)生,設(shè)定故障類型為A相接地故障。
圖5 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of simulation system
顯然,短路故障持續(xù)時間越短,對短路電流的限制效果就越好,短路造成的危害也就越小。因此,對中壓短路故障進(jìn)行早期準(zhǔn)確檢測與辨識具有實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用效應(yīng)。在故障早期,當(dāng)判斷的確有短路故障發(fā)生時,則觸發(fā)GTO導(dǎo)通將FCL快速接入線路,可有效地限制短路電流。
實(shí)際的工作環(huán)境下,要實(shí)現(xiàn)FCL早期投入,其所需時間主要包括短路故障早期檢測及識別所需時間和電力電子開關(guān)導(dǎo)通所需時間兩部分。前文已經(jīng)通過仿真以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了中壓系統(tǒng)短路故障早期檢測所需時間為400~700 μs,而GTO的導(dǎo)通時間僅為幾十微秒,綜合考慮GTO導(dǎo)通時間及不同故障相角等因素,短路故障早期檢測辨識及FCL投入所需時間在1 ms之內(nèi)。
本文以圖1所示串聯(lián)諧振型FCL為模型實(shí)現(xiàn)短路故障早期檢測基礎(chǔ)上的快速限流技術(shù),以限流效果及斷路器開斷短路故障的苛刻度為指標(biāo)考察其有效性。其中,F(xiàn)CL 參數(shù)為:C=207 μF;L1=3.26 mH;L2=48.94 mH[22]。
為分析FCL投入時刻對限制電流的影響,本文設(shè)置仿真電源初相角均為90°,分別選取故障發(fā)生后40 ms(2 個全波周期)、20 ms(1 個全波周期)、10 ms(常規(guī)短路判據(jù)所需時間數(shù)量級)[23]、1 ms(基于短路早期檢測所需時間數(shù)量級)投入FCL,短路電流抑制效果如圖6所示。
圖6 FCL投入時刻對限制電流的影響Fig.6 Influence of FCL put-into-operation time on current limiting effect
由圖6可見,系統(tǒng)未裝設(shè)FCL時,短路電流峰值接近10 kA;安裝了FCL以后,其對系統(tǒng)的短路電流有明顯的抑制作用。此外,F(xiàn)CL的投入時刻對于其限流效果影響很大,發(fā)生短路故障后投入FCL越早,其限流作用越明顯。常規(guī)的短路判斷方法一般需要10 ms左右判定時間,此時投入FCL,只能將故障電流峰值限制在大約1500 A;利用短路早期檢測及快速投切技術(shù),可實(shí)現(xiàn)在故障后1 ms即投入FCL,在相同的短路故障情況下,其可將故障電流峰值限制在800 A左右,限流效果更加明顯,并且其限流后的電流波形更光滑,對電網(wǎng)的沖擊很小。
為了更清晰地說明FCL投入時刻對限制電流的影響,假設(shè)短路故障發(fā)生在系統(tǒng)正常運(yùn)行后的50 ms時,本文取故障發(fā)生后1~40 ms的區(qū)間范圍,分別每間隔2 ms投入FCL,仿真得出相應(yīng)時刻的電流峰值,利用三次正弦和擬合,得到故障電流峰值與FCL投入時刻的關(guān)系見圖7。
從圖7可以看出,F(xiàn)CL的投入時刻對于故障電流的限制有很大影響,基于短路故障早期檢測的故障電流快速限制效果非常顯著。
圖7 故障電流峰值與FCL投入時刻關(guān)系圖Fig.7 Relationship between fault current peak and FCL put-into-operation time
串聯(lián)諧振型FCL應(yīng)用于中高壓甚至超高壓電網(wǎng),能夠有效地抑制系統(tǒng)的短路電流水平,然而斷路器的開斷負(fù)擔(dān)不僅與開斷電流有關(guān),還與瞬態(tài)恢復(fù)電壓的第1個峰值、斷口間的瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升率[24]等因素有關(guān)。因此,需要綜合考慮以上因素,從苛刻度[25-26]的角度分析FCL對斷路器開斷性能的影響,通過綜合斷路器開斷電流、斷路器瞬態(tài)恢復(fù)電壓第1個峰值和瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升率3項(xiàng)指標(biāo),對斷路器開斷短路故障的難度進(jìn)行評估。
基于故障早期檢測的FCL技術(shù)可以在短路發(fā)生早期投入FCL,可以預(yù)見其對于提高斷路器開斷短路故障能力方面有顯著作用。利用短路電流Is、電流過零時斷路器瞬態(tài)恢復(fù)電壓的上升率rRV以及斷路器瞬態(tài)恢復(fù)電壓的第1個峰值Utr1,可獲得電網(wǎng)對于斷路器的苛刻度F如式(2)所示??量潭瓤捎糜诰C合評估安裝串聯(lián)諧振型FCL后對于斷路器開斷的影響[27]。
其中,α為常數(shù),它與斷路器的滅弧方式及滅弧介質(zhì)有關(guān)。
為了驗(yàn)證基于短路早期檢測的FCL技術(shù)能夠提升斷路器短路故障開斷能力,利用前述配電仿真系統(tǒng)加以分析,且配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與短路參數(shù)均保持不變。斷路器在系統(tǒng)運(yùn)行至150 ms時因短路故障而操作分?jǐn)喙收想娏?。未投入FCL、采用常規(guī)判據(jù)投入FCL、基于短路早期檢測快速投入FCL情況下斷路器兩端斷口電壓的仿真波形如圖8所示。
綜合圖6與圖8的仿真結(jié)果,取α=1,通過計算得到不同短路故障抑制情況下電網(wǎng)對斷路器的苛刻度F,如表1所示。
由表1可以看出,采用常規(guī)的短路判據(jù)投入FCL后,雖然降低了斷路器的分?jǐn)嗫量潭?,但是其限流后的短路電流峰值Is、電流過零時斷路器瞬態(tài)恢復(fù)電壓的上升率rRV以及斷路器瞬態(tài)恢復(fù)電壓的第1個峰值Utr1仍然較大,所以導(dǎo)致其整體的斷路器分?jǐn)嗫量潭纫廊黄?;而基于短路早期檢測快速投入FCL后,上述3個參數(shù)均大幅度降低,使得斷路器分?jǐn)嗫量潭却蠓葴p小,即斷路器對短路故障的開斷難度大幅降低。
綜上所述,基于短路故障早期檢測的FCL快速限流技術(shù),在提升斷路器的開斷能力與遮斷容量方面有著良好的應(yīng)用潛力。
圖8 FCL在不同時刻投入時斷路器兩端電壓波形圖Fig.8 Waveform of breaker voltage between two terminals for different FCL put-into-operation time
表1 不同情況下斷路器的苛刻度Table 1 Severity of circuit breaker for different conditions
故障初相角對于系統(tǒng)的短路影響較大,因此有必要考慮在不同初相角下,早期故障檢測及FCL投入的限流效果以及對斷路器分?jǐn)嗫量潭鹊挠绊憽?/p>
本文在故障電源初相角0°~170°范圍內(nèi)以10°為1個間隔,分別仿真分析未投入FCL、采用常規(guī)短路判據(jù)投入FCL以及短路故障早期檢測投入FCL后的短路電流峰值和斷路器的分?jǐn)嗫量潭?,結(jié)果分別如表2與表3所示。表中,方式a、b、c分別對應(yīng)未投入FCL、基于常規(guī)短路判據(jù)投入FCL和基于短路早期檢測投入FCL。
分析表2及表3的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)可知,在全相角范圍內(nèi),基于短路早期檢測的FCL技術(shù)的限流效果均優(yōu)于基于常規(guī)判據(jù)投入FCL;而在斷路器分?jǐn)嗫量潭确矫妫诙搪吩缙跈z測的FCL技術(shù)同樣在全相角范圍內(nèi)顯示出了更加優(yōu)異的特性。這表明,基于短路早期檢測的FCL技術(shù)在降低斷路器對分?jǐn)嗄芰Φ囊蠓矫?,顯示出了良好的應(yīng)用潛力。
表2 全相角情況下的限流效果Table 2 Fault current limiting effect in full phase-angle condition
表3 全相角情況下的斷路器苛刻度Table 3 Severity of circuit breaker in full phase-angle condition
本文提出一種中壓線路短路早期檢測及其故障快速限流技術(shù),并以固態(tài)可控串聯(lián)諧振型FCL為例,通過實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證,得出如下結(jié)論:
a.采用Mallat算法的多分辨小波變換,可有效實(shí)現(xiàn)中壓線路短路故障的早期檢測辨識,且在中壓動態(tài)模擬系統(tǒng)中進(jìn)行了驗(yàn)證;
b.基于短路早期檢測的FCL限流技術(shù)具有快速及顯著的故障抑制作用;
c.基于短路早期檢測的FCL快速限流技術(shù),可大幅度地降低中壓線路分?jǐn)嗫量潭龋?/p>
d.基于短路故障早期檢測的FCL快速限流技術(shù),具備全相角范圍內(nèi)優(yōu)越的限流效果,可較大幅度地降低斷路器對分?jǐn)嗄芰Φ囊螅?/p>
e.在限制短路電流與提升斷路器開斷能力方面,中壓短路早期限流技術(shù)對增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性具有良好的應(yīng)用潛力,但有待進(jìn)一步研究。