基于快速開關(guān)的節(jié)能型故障限流器

吳　剛　張國彥　張建民　楊萬濤（. 國網(wǎng)內(nèi)蒙東部電力有限公司赤峰供電公司，內(nèi)蒙古 赤峰　4000；. 四方華能電網(wǎng)控制系統(tǒng)有限公司，北京　00085）

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基于快速開關(guān)的節(jié)能型故障限流器

吳剛1張國彥1張建民2楊萬濤2
（1. 國網(wǎng)內(nèi)蒙東部電力有限公司赤峰供電公司，內(nèi)蒙古 赤峰24000；2. 四方華能電網(wǎng)控制系統(tǒng)有限公司，北京100085）

摘要提出快速開關(guān)型限流器的拓撲結(jié)構(gòu)，并對其限流原理和取能方式作了介紹分析，通過Matlab軟件仿真分析其限流效果。本文所介紹的故障限流器，拓撲結(jié)構(gòu)簡單，在正常狀態(tài)下由快速開關(guān)短路，完全沒有電能損耗，應(yīng)用最新的快速開關(guān)技術(shù)，相對于現(xiàn)有限流器來講開關(guān)的分合閘動作時間更快。

關(guān)鍵詞：快速開關(guān)；節(jié)能型；故障限流器；拓撲

Energy Saving Fault Current Limiter Based on Fast Switch

Wu Gang1Zhang Guoyan1Zhang Jianmin2Yang Wantao2
（1. Chifeng Power Supply Corporation， Chifeng， Inner Mongdia 024000；2. Beijing Sifang-Huaneng Power Network Control System Co.， Ltd， Beijing 100085）

Abstract The topology structure of the fast switching mode current limiter is proposed， and its current limiting principle and energy - mode are introduced， and the current limiting effect is analyzed by Matlab software. The fault current limiter， topology has the advantages of simple structure， under the normal state by fast switching circuit， no electric energy loss， using the latest fast switching technology，relative to the presently limited flow device in terms of switch closing action time faster.

Keywords：fast switch; energy saving; fault current limiter; topology

電網(wǎng)等級的不斷提高，電網(wǎng)的規(guī)模的不斷擴大，大容量機組的相繼投入，區(qū)域各大電網(wǎng)互聯(lián)的實現(xiàn)，負荷電流的迅速增長，所有的這些因素將導(dǎo)致在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，特別是短路情況下，電流水平的持續(xù)升高，一些地區(qū)的短路電流已經(jīng)遠遠超過了目前斷路器的開斷能力，發(fā)生短路時，會造成嚴重的安全問題，另外過高的短路電流還增加了系統(tǒng)高壓設(shè)備選擇配置的難度。因此，日益嚴重的短路電流必須得到足夠的重視和有效解決，故障限流器作為一種有效的限制短路電流的方法其技術(shù)研究及應(yīng)用就顯得至關(guān)重要。

1　新型限流器的限流原理及拓撲結(jié)構(gòu)

1.1開關(guān)型故障限流器限流原理

開關(guān)型限流器的限流原理如圖1所示，圖中虛線框中部分為限流裝置，其中限流器為串聯(lián)限流電抗器，換流器為智能高速開關(guān)（高速大遮斷容量真空斷路器）。裝置工作原理：正常工作時，換流器處于關(guān)合狀態(tài)，系統(tǒng)工作電流只流過換流器，阻抗為零，沒有損耗；當(dāng)發(fā)生短路故障時，換流器迅速打開，將限流電抗器投入串聯(lián)到電力系統(tǒng)中，將短路電流限制到系統(tǒng)斷路器可以最大開斷電流以下。高速真空斷路器還可以配合線路重合閘動作順序投退，當(dāng)線路斷路器重合閘后，若短路故障依然存在，線路斷路器再開斷，若短路故障消失，線路斷路器保持合閘狀態(tài)。

圖1　限流器限流原理圖

1.2開關(guān)型故障限流器拓撲結(jié)構(gòu)分析

本文提出的基于快速開關(guān)的高壓故障限流器拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　故障限流器一次原理圖

裝置主要構(gòu)成元件及功能如下：

1）隔離變：在高壓平臺上給二次供電，隔離變后端接整流供電回路。

2）限流電抗器（L）：發(fā)生短路時用以限制短路電流。

3）智能高速開關(guān)（K）：正常運行時用以短接限流電抗器，實現(xiàn)電抗器無損耗運行，一旦發(fā)生短路則快速動作投入電抗器限制短路電流。

4）旁路開關(guān)（KM）：當(dāng)智能高速開關(guān)故障時用以承載工作電流。

5）取能單元（倒置CVT，C1＋C2）：用以提供智能高速開關(guān)的控制和操作電源。

快速開關(guān)型電網(wǎng)限流裝置包括一級或多級串聯(lián)的限流單元、為限流單元提供高電位下的安裝基礎(chǔ)的絕緣平臺以及通訊和監(jiān)控系統(tǒng)。

當(dāng)裝置掛網(wǎng)運行后，隔離變從CVT的分壓電容兩端取電，輸送給控制器和電源盒?？刂破魍ㄟ^光纖通道將裝置的運行狀態(tài)及數(shù)據(jù)送到遠端的測控子站。故障限流器串接在系統(tǒng)中，在系統(tǒng)正常運行的情況下，智能高速開關(guān)短接限流電抗器，限流器表現(xiàn)為零阻抗?fàn)顟B(tài)，不產(chǎn)生功率損耗，檢測到故障發(fā)生后，控制器迅速作出判斷并控制快速開關(guān)快速斷開，限流電抗器串入到系統(tǒng)中，將短路電流限制到系統(tǒng)斷路器可以開斷限值內(nèi)，同時快速開關(guān)分閘的信號和判斷跳閘的短路電流數(shù)值（全過程的波形）通過光纖傳送到遠端的測控子站。當(dāng)監(jiān)測到線路由短路電流減低到負荷電流后，待儲能電容充完電后快速開關(guān)自動合閘。限流裝置的快速真空斷路器在判斷線路正常帶電流2min后合閘，將限流電抗器短路退出限流工況。一旦快速開關(guān)合閘不成功，則控制器立即控制接觸器合閘。

2　快速開關(guān)型故障限流器限流性能仿真分析

基于Matlab的仿真電路如圖3所示。系統(tǒng)主要參數(shù)描述如下。

1）發(fā)電機G：SN＝ 60MVA ，VN＝ 10.5kV 。

2）變壓器T-1：SN＝ 31.5MVA ，VS＝ 10.5%，PS＝133kW，P0＝ 30.8kW ，I0%＝0.6，K1＝ 10.5/110。

3）變壓器T-2：SN＝ 20MVA ，VS＝ 10.5%，PS＝93kW，P0＝ 22kW ，I0%＝0.67，K2＝ 110/6.3。

4）變壓器T-3：SN＝ 7.5MVA ，VS＝ 10.5%，PS＝45kW，P0＝ 11.2kW ，I0%＝0.77，K2＝ 110/6.3。

5）線路L-1：r1＝ 0.08Ω/km ，x1＝ 0.4Ω/km ，線路全長60km。

6）線路L-2：r1＝ 0.08Ω/km ，x1＝ 0.4Ω/km ，線路全長20km。

7）線路L-3：r1＝ 0.08Ω/km ，x1＝ 0.4Ω/km ，線路全長10km。

8）負荷LD-1：SLD－ 1＝ 30mva ，cos?＝ 0.85。

9）負荷LD-2：SLD－ 2＝ 18mva ，cos?＝ 0.95。

10）負荷LD-3：SLD－ 3＝ 6mva ，cos?＝ 0.95。

11）限流器電感：L＝63.66mH。

圖3　仿真系統(tǒng)電路圖

對于單相接地故障，電力系統(tǒng)正常運行時，線路L-1的電流為112A，在0.2s時發(fā)生單相接地短路，故障相未接入限流器時的電流情況如圖4（a）所示。

圖4　單相接地故障有、無限流器時故障相電流

由仿真圖可以看出，在短路發(fā)生后，短路電流的第一個峰值為2271A，第二個短路電流峰值為1855A，短路電流的穩(wěn)態(tài)峰值為1387A。

在故障發(fā)生后把限流電抗器串接進系統(tǒng)中進行限流的仿真電流波形如圖4（b）所示。由仿真波形可以看出，接入限流器后短路電流的第一個峰值在1790A，相對降低了21.2%，第二個短路電流峰值為1512A，穩(wěn)態(tài)短路電流峰值為1062A，相對減少了23.4%。

限流器接入系統(tǒng)限流后，限流器故障相快速開關(guān)兩端的斷口電壓如圖5所示。由圖可以看出A相發(fā)生單相接地故障后限流器開關(guān)兩端承受的斷口電壓峰值為21kV，在開關(guān)斷口電壓承受范圍內(nèi)。

圖5　快速開關(guān)兩端承受斷口電壓波形

發(fā)生單相接地故障后變壓器T1二次側(cè)電壓的變化情況如圖6（a）和圖6（b）所示，其中未接入電流電抗器時，二次側(cè)電壓跌落為33kV，接入限流電抗后，二次側(cè)電壓為47kV，相對升高了42%。

圖6　未接、接入FCL故障后變壓器T1二次側(cè)電壓變化

3　結(jié)論

本文所介紹的故障限流器，拓撲結(jié)構(gòu)簡單，在正常狀態(tài)下由快速開關(guān)短路，是完全沒有電能損耗的，應(yīng)用最新的快速開關(guān)技術(shù)，相對于現(xiàn)有限流器來講開關(guān)的分合閘動作時間更快。

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張建民（1961-），男，高工，主要研究能效管理系統(tǒng)。

作者簡介