故障電流限制器參數(shù)選擇的解析法研究

張玉紅， 張彥濤， 李付強(qiáng)， 秦曉輝， 韓家輝， 賀海磊， 王義紅， 孔 靜

(1. 中國電力科學(xué)研究院， 北京 100192； 2. 國家電網(wǎng)公司華北分部， 北京 100053；3. 環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心， 北京 100082)

故障電流限制器參數(shù)選擇的解析法研究

張玉紅1， 張彥濤1， 李付強(qiáng)2， 秦曉輝1， 韓家輝1， 賀海磊1， 王義紅1， 孔 靜3

(1. 中國電力科學(xué)研究院， 北京 100192； 2. 國家電網(wǎng)公司華北分部， 北京 100053；3. 環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心， 北京 100082)

加裝故障電流限制器是限制短路電流的實(shí)用有效手段。故障電流限制器電抗值選擇的傳統(tǒng)做法是采用多次試探法，即反復(fù)在電網(wǎng)中串聯(lián)一定規(guī)格的電抗器，然后計(jì)算原網(wǎng)絡(luò)中短路電流超標(biāo)母線的短路電流。本文推導(dǎo)了母線短路電流、故障電流限制器安裝支路短路電流與開路阻抗、連接線路阻抗及串聯(lián)電抗值之間的函數(shù)關(guān)系解析式，提出了故障電流限制器的參數(shù)選擇的解析法，例證了方法的可行性。所提方法有助于分析電網(wǎng)短路電流水平對于限流電抗的敏感度，便于選擇故障電流限制器的合理裝設(shè)地點(diǎn)。相對原試探法，該方法大大減少了計(jì)算時(shí)間，可直接應(yīng)用于故障電流限制器的參數(shù)選擇。

故障電流限制器； 短路電流； 解析法

1 引言

隨著電力系統(tǒng)負(fù)荷的迅速增長以及大容量機(jī)組不斷投入運(yùn)行，各電壓等級電網(wǎng)的短路電流不斷增長[1-3]。部分地區(qū)的短路電流已經(jīng)接近斷路器的遮斷容量，而且有繼續(xù)上升的趨勢，這種情況已經(jīng)嚴(yán)重威脅到系統(tǒng)的安全運(yùn)行。如何有效降低短路電流成為電力系統(tǒng)中亟待解決的問題。

從實(shí)施層面來看，降低短路電流的主要技術(shù)手段是優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和加裝限流設(shè)備。前者常用措施有低壓電網(wǎng)分片，母線分列、分段運(yùn)行和電網(wǎng)解列。對于負(fù)荷密集的成熟電力網(wǎng)絡(luò)，此類措施的實(shí)施難度較大，且該類措施會(huì)降低系統(tǒng)的安全可靠性，給系統(tǒng)運(yùn)行帶來不容忽視的影響。后者常用措施有采用高阻抗變壓器和故障電流限制器。高阻抗變壓器對于限制中壓側(cè)電壓等級短路電流有一定效果，對于限制高壓側(cè)短路電流難以奏效?？紤]經(jīng)濟(jì)性、安全性與靈活性，故障電流限制器是限制短路電流的切實(shí)有效手段[4-15]。

以往研究多從設(shè)備角度研究故障電流限制器的額定參數(shù)[16，17]，而沒有從系統(tǒng)角度針對特定電網(wǎng)結(jié)構(gòu)研究短路電流與故障電流限制器電抗值間的關(guān)系。故障電流限制器限流電抗參數(shù)選擇的傳統(tǒng)做法是采用多次試探法，這增加了規(guī)劃設(shè)計(jì)人員的工作量。本文分析了故障電流限制器限制短路電流的基本原理，并通過公式推導(dǎo)，提出了采用解析法選擇故障電流限制器參數(shù)的方法。

2 故障電流限制器的基本原理

故障電流限制器(Fault Current Limiter，F(xiàn)CL)分為主動(dòng)型與被動(dòng)型。其主要區(qū)別在于無故障時(shí)，是否在系統(tǒng)中串入有效電抗值。有關(guān)研究表明，被動(dòng)型FCL中串聯(lián)電抗器是可以用于超高壓系統(tǒng)中的成熟技術(shù)；基于各種可靠開關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電抗器可控化的主動(dòng)型FCL技術(shù)方案，最有潛力應(yīng)用于超高壓系統(tǒng)中[18]。2008年在泗涇-黃渡線近泗涇側(cè)安裝了500kV限流電抗器，成為國內(nèi)首套高壓線路限流串抗成套裝置[14]。2009年華東電網(wǎng)瓶窯500kV變電站的瓶窯-杭北單回線安裝了串聯(lián)諧振型500kV FCL，成為具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的第一臺500kV FCL[19]。

FCL限制短路電流的基本原理是將一定電抗值的電抗器串聯(lián)接入系統(tǒng)中，增大支路的有效阻抗，以限制短路故障時(shí)母線的短路電流，其限流核心部分均是限流電抗，原理如圖1所示。當(dāng)前，F(xiàn)CL串聯(lián)電抗值的選擇方法為傳統(tǒng)的試探法，需要進(jìn)行多次反復(fù)計(jì)算才能確定合適的參數(shù)。

圖1 故障電流限制器接入電網(wǎng)示意圖Fig.1 Schematic for FCL connecting to grid

3 串聯(lián)電抗器電抗值與母線三相短路電流關(guān)系推導(dǎo)

本節(jié)推導(dǎo)母線發(fā)生三相短路情況下，限流器阻抗與母線短路電流、支路短路電流的關(guān)系(公式各量均采用標(biāo)幺值表示)。

圖1中，線路L開斷(或限流器電抗X無窮大)情況下，設(shè)母線A、B對應(yīng)的系統(tǒng)阻抗矩陣為ZS，如式(1)所示：

(1)

通常ZS為對稱矩陣，即ZAB=ZBA；并且對交占優(yōu)，即ZAA>ZAB，ZBB>ZAB。

對應(yīng)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣YS為：

(2)

(3)

(4)

(5)

將導(dǎo)納參數(shù)用阻抗參數(shù)代替，可解得：

母線A的三相短路電流I″K3可用式(6)計(jì)算：

(6)

當(dāng)X=0時(shí)，相當(dāng)于線路L閉合，不安裝限流器，此時(shí)有：

(7)

當(dāng)X=∞時(shí)，相當(dāng)于線路L斷開，此時(shí)有：

(8)

設(shè)在母線A注入單位電流IA注入=1∠0°，在母線B注入電流IB注入=0。IA注入分為兩部分IA、IB，IA直接注入電網(wǎng)，IB流經(jīng)限流器、線路L和母線B注入電網(wǎng)。

此時(shí)，節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣為：

(9)

其逆矩陣為：

(10)

將式(9)代入式(10)，即得：

(11)

另有：

(12)

因此，當(dāng)母線A注入單位電流時(shí)，流過限流器的電流IB可用式(13)表示：

(13)

母線A三相短路時(shí)，流過限流器的電流可用式(14)計(jì)算：

若母線A與母線B之間通過雙回線路連接，并且雙回線路均安裝限流器，則式(6)、式(7)及式(14)中，用X/2替代X、ZL/2替代ZL、I″K3L/2替代I″K3L即可。此時(shí)，母線的三相短路電流與流過限流器的短路電流可用式(15)和式(16)表示如下：

(15)

(16)

由式(15)和式(16)可直觀看出，母線三相短路電流水平以及流過支路L的分支短路電流均隨X增大而減小，且它們之間的關(guān)系滿足倒數(shù)函數(shù)規(guī)律。只要針對母線短路電流的限制要求，可直接解出需要的串聯(lián)電抗值的大小，亦可給定一定電抗值，求取相應(yīng)的母線電流大小。兩種方法均可滿足實(shí)際需要，與傳統(tǒng)試算法相比，計(jì)算量大大減少。

4 仿真算例

4.1 計(jì)算工具及標(biāo)準(zhǔn)

應(yīng)用PSD-SCCPC短路電流計(jì)算程序與Matlab計(jì)算程序，按照國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 15544 三相交流系統(tǒng)短路電流計(jì)算》(等同采用IEC 60909標(biāo)準(zhǔn))進(jìn)行計(jì)算分析。

4.2 規(guī)劃網(wǎng)架短路電流分析

圖2為某地規(guī)劃500kV網(wǎng)架。其中，AA站裝有2臺主變，BB站裝有3臺主變，CC站裝有2臺主變。

圖2 短路電流超標(biāo)站電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Power network configuration of substations of which short-circuit currents are beyond limits

該規(guī)劃網(wǎng)架下，若不采取短路電流限制措施，AA、BB、CC站短路電流分別為67.33kA、65.34kA、61.61kA，均超過或接近63kA。對三個(gè)站各支路短路電流進(jìn)一步計(jì)算，結(jié)果見表1。

表1 AA、BB、CC站各支路電流計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表1中支路短路電流的計(jì)算結(jié)果分析如下。

(1)AA站各支路中，AA～BB雙回線貢獻(xiàn)短路電流最大，達(dá)到21.63kA，約占總電流的32%。

(2)BB站各支路中，BB～CC雙回線貢獻(xiàn)短路電流最大，達(dá)到23.43kA，約占總電流的35%，其次AA～BB雙回線貢獻(xiàn)短路電流也很大，達(dá)到22.43kA，約占總電流的34%。

(3)CC站各支路中，CC～BB雙回線貢獻(xiàn)短路電流最大，達(dá)到29.48kA，約占總電流的47.86%。

(4)該3站成鏈狀結(jié)構(gòu)，考慮在對短路電流影響較大的支路(分別為AA～BB雙回線、BB～CC雙回線)上安裝故障電流限制器，以解決該地區(qū)短路電流問題。

4.3 故障電流限制器對短路電流的影響研究

應(yīng)用PSD-SCCPC中的等值程序，分別求得AA母線與BB母線、BB母線與CC母線對應(yīng)的開路系統(tǒng)阻抗矩陣。根據(jù)式(15)和式(16)可采用二分法，求出滿足任意短路電流水平的限流電抗值?？紤]到限流電抗值一般為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，研究中采用窮舉法，給定一定的串聯(lián)電抗器，即可分別求得相應(yīng)的AA～BB、BB～CC支路及AA、BB母線的短路電流大小。從計(jì)算結(jié)果中提取將母線短路電流水平限制到63kA、60kA、55kA以及50kA四個(gè)不同等級的相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)果見表2，其中黑體數(shù)字表示短路電流限制到63kA、60kA、55kA、50kA的電抗值及相應(yīng)的短路電流。AA、BB母線及對應(yīng)的AA～BB、BB～CC支路短路電流與限流電抗值的關(guān)系如圖3所示。利用表2和圖3即可得出滿足不同等級要求的故障電流限制器電抗參數(shù)。

4.4 相關(guān)母線的短路電流及FCL的限流率校驗(yàn)

本節(jié)通過校驗(yàn)加裝FCL后相關(guān)母線的短路電流及相應(yīng)的故障電流限制器的限流率，考量FCL安裝在不同位置的限流效果。

當(dāng)AA～BB雙回線串聯(lián)電抗器值分別為9Ω、18Ω、45Ω和174Ω時(shí)，應(yīng)用PSD-SCCPC短路電流計(jì)算程序計(jì)算AA、BB、CC母線的短路電流值及FCL的限流率，結(jié)果見表3。表中括號內(nèi)數(shù)字表示相應(yīng)的限流率。

當(dāng)BB～CC雙回線串聯(lián)電抗器值分別為4Ω、9Ω、23Ω和56Ω時(shí)，應(yīng)用PSD-SCCPC短路電流及FCL的限流率，結(jié)果見表4。表中括號內(nèi)數(shù)字表示相應(yīng)的限流率。

表2 限制AA、BB母線電流對限流電抗參數(shù)的需求(雙回加限流電抗器)

圖3 限制母線電流對故障電流限制器參數(shù)的需求Fig.3 Current limiting reactance parameters demand for limiting bus current

串聯(lián)電抗值/Ω短路電流/kA母線AA母線BB母線CC962.99(6.9%)60.38(7.6%)57.82(6.2%)1859.76(12.7%)57.33(12.3%)56.13(8.9%)4554.99(22.4%)52.63(19.5%)53.35(13.4%)17450.00(34.7%)47.43(27.4%)50.04(18.8%)

表4 BB～CC雙回線串聯(lián)不同電抗值時(shí)，BB、AA、CC母線短路電流及相應(yīng)的FCL限流率

從表3和表4可以看出：①在AA～BB、BB～CC雙回線路加裝FCL都可將此三站的短路電流限制到所需范圍；②加裝同樣大小的FCL，加裝在AA～BB支路的故障電流限制器限流率相當(dāng)，短路電流限制效果更為均衡。

可根據(jù)實(shí)際選擇合理地點(diǎn)安裝一定型號的FCL，達(dá)到限制短路電流的最優(yōu)效果。

4.5 限流過程中FCL的電壓變化

FCL限流過程中，隨著流過自身電流的變化，其阻抗成非線性變化。在有效限流區(qū)域內(nèi)，系統(tǒng)發(fā)生短路，阻抗增大，短路電流相應(yīng)減小。而短路電壓與短路阻抗和短路電流的乘積相關(guān)，故而在限流過程中，F(xiàn)CL自身電壓變化趨勢與FCL自身的設(shè)計(jì)相關(guān)，可能增大，也可能減少。

5 結(jié)論

本文推導(dǎo)了母線短路電流、故障電流限制器安裝支路短路電流與系統(tǒng)阻抗、連接線路阻抗及串聯(lián)電抗值間的函數(shù)關(guān)系。研究得出如下結(jié)論。

(1)母線三相短路電流水平以及流過支路L的分支短路電流均隨故障電流限制器串聯(lián)電抗值增大而減小，且滿足倒數(shù)函數(shù)規(guī)律。

(2)采用解析法，不需反復(fù)試算，可一次性根據(jù)實(shí)際需求選擇故障電流限制器參數(shù)，將目標(biāo)母線短路電流精確限制在所需范圍內(nèi)。

(3)參數(shù)選擇后，需校核附近其他母線短路電流大小，以便選擇最優(yōu)的故障電流限制器裝設(shè)地點(diǎn)與裝設(shè)型號。該方法可為電網(wǎng)規(guī)劃或運(yùn)行提供一定技術(shù)手段，便于工程應(yīng)用。

本研究未考慮限流電抗器的鐵心飽和特性導(dǎo)致其阻抗的非線性關(guān)系。短路故障發(fā)生時(shí)，流過限流電抗器的電流不僅受到網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的約束，還受到故障電流限制器阻抗特性曲線的約束，實(shí)際選擇故障電流限制器參數(shù)還需考慮在兩種約束條件下建立穩(wěn)定工作點(diǎn)，以保證故障電流限制器正常工作。

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Analytical method to select fault current limiter parameter

ZHANG Yu-hong1, ZHANG Yan-tao1, LI Fu-qiang2, QIN Xiao-hui1, HAN Jia-hui1, HE hai-lei1, WANG Yi-hong1, KONG Jing3

(1. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China; 2. North China Grid Company Limited, Beijing 100053, China; 3. Nuclear and Radiation Safety Center, Beijing 100082, China)

Fault current limiter is a practical and effective means to limit short circuit current. The traditional approach to choose the fault current limiter limiting reactance is the heuristic method which is to install some series reactors of certain specifications and to calculate the short circuit current of the bus exceeding the standard in the original network. This paper deduces the function relation between the bus short circuit current, short circuit current for the series reactance installation branch and open circuit impedance, connecting line impedance and series reactance values with analytical method. An example is given to demonstrate the feasibility of the method. The proposed method is helpful to the analysis of the sensitivity of power system short-circuit current level for current limiting reactance and to select a more reasonable installation location. Contrasting with the original heuristic method, it can greatly reduce the computation time and the parameter can be directly applied to select the reactance parameter for the FCL.

fault current limiter; short-circuit current; analytical method

2015-04-30

張玉紅(1986-)， 女， 河北籍， 工程師， 碩士, 研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析及電網(wǎng)規(guī)劃； 張彥濤(1980-)， 男， 河北籍， 工程師， 碩士, 研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析及電網(wǎng)規(guī)劃。

TM72

A

1003-3076(2016)02-0031-07