一種基于快速開關(guān)的新型故障限流器研究

馬莉，黃欣，錢勇，吳玫蓉

(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011；2.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003；3.國網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011)

近年來，電網(wǎng)規(guī)模的持續(xù)擴張以及區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)程度的逐漸增強，使系統(tǒng)短路故障電流水平急劇增長，部分地區(qū)電網(wǎng)的短路電流水平已經(jīng)達(dá)到規(guī)定允許的最大值，并出現(xiàn)超標(biāo)的趨勢[1-3]。增大的短路電流不但大幅度增加了設(shè)備成本和選擇配置的困難程度，而且使系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行受到嚴(yán)重威脅，如變壓器電力設(shè)備受到較大短路電流沖擊后安全性遭到破壞[4]；變電站因短路電流越限被迫將母線并列運行方式轉(zhuǎn)換為分列運行[5]，導(dǎo)致系統(tǒng)供電運行可靠性大幅下降；另外，系統(tǒng)短路故障引起的母線電壓下降波及系統(tǒng)的電能質(zhì)量也受到了影響[6]，因此，日益增長的短路電流已成為當(dāng)前電網(wǎng)亟待解決的重要問題之一[7-9]。

傳統(tǒng)限制短路電流措施如分層分區(qū)、分列母線等，限流效果明顯，但建設(shè)工期長、投資大且難以保證電網(wǎng)運行可靠性及網(wǎng)絡(luò)完整性[10-11]。限流電抗器原理簡單易實施，但系統(tǒng)運行時會增加無功損耗導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性受影響下降[12-13]。傳統(tǒng)限流技術(shù)在限流同時會對電網(wǎng)產(chǎn)生一些不利影響，采用故障限流器可解決上述矛盾?？焖匍_關(guān)型故障限流器是近年來提出的一種新型故障限流裝置[14-15]，在正常運行時損耗接近于零，對電網(wǎng)無不利影響，故障時可迅速斷開投入限流電抗，使故障電流限至斷路器額定容量以下；故障切除后快速開關(guān)迅速關(guān)合保障電網(wǎng)運行穩(wěn)定性。該類型故障限流器在同等限流效果下投資更小[16-17]。本文介紹了快速開關(guān)型故障限流器(fast switch fault current limiter ，F(xiàn)SFCL)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、原理及關(guān)鍵技術(shù)；研究FSFCL在系統(tǒng)中的限流效果，利用MATLAB/Simulink仿真軟件進(jìn)行驗證，采用PSASP對FSFCL加入后的暫態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

1 FSFCL原理結(jié)構(gòu)分析

1.1 FSFCL拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

FSFCL的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(見圖1)主要由智能快速開關(guān)K、ZNO保護、旁路開關(guān)KM、CT、隔離變壓器等元件組成。各元件功能如下：

(1)智能快速開關(guān)K。具有快速分合閘特性，系統(tǒng)正常運行時短接限流電抗器，使其在系統(tǒng)中的損耗接近為零，故障時，快速投入電抗器限制短路電流。

(2)限流電抗器L。正常運行狀態(tài)下被短接，故障發(fā)生后快速被串入系統(tǒng)限流。

(3)金屬氧化物避雷器ZNO。常用于過電壓保護元件，K開斷瞬間電流轉(zhuǎn)移容易產(chǎn)生過電壓，ZNO可保護限流裝置的其它元件。

(4)隔離變壓器。其后端接整流供電回路，為二次回路供電。

(5)旁路開關(guān)KM。當(dāng)開關(guān)K發(fā)生故障不能快速分閘，則控制KM閉合，承載線路工作電流。

(6)洛克特種線圈CT。用來獲取母線的電流值從而監(jiān)測短路電流。

圖1C1為分壓電容，C2為高壓耦合電容。

圖1 FSFCL拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 FSFCL限流原理

快速開關(guān)的微損耗限流裝置在電網(wǎng)中正常工作時，隔離變壓器從分壓電容器組兩端取電，為控制器和電源盒供電。正常運行狀態(tài)下的工作電流流過閉合的智能快速開關(guān)K，被短接的限流電抗器產(chǎn)生的功率損耗接近于零。發(fā)生故障后系統(tǒng)短路電流突增，控制器收到洛克CT傳來的系統(tǒng)電流大于設(shè)定值的短路信號后可快速精準(zhǔn)地預(yù)測出電流過零點時刻，并將該信息傳送給智能快速開關(guān)K分閘，收到信號后的K在靠近過零點時刻分閘，電抗器L被串入到線路中。系統(tǒng)故障切除后，控制器監(jiān)測到系統(tǒng)電流值恢復(fù)到臨界值以下，及時向K傳遞合閘信息，L退出線路的同時，系統(tǒng)恢復(fù)正常運行狀態(tài)[18]。當(dāng)快速開關(guān)故障不能分合閘動作，控制器會立即控制接觸開關(guān)KM合閘。

2 FSFCL的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 智能快速開關(guān)

快速開關(guān)可在20 ms內(nèi)開斷，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由真空滅弧室、永磁保持機構(gòu)以及電磁斥力機構(gòu)等部件組成。其工作原理為分閘開關(guān)收到斷路器分閘命令后，分閘儲能元件立即向分閘線圈放電產(chǎn)生磁場感應(yīng)出銅盤的渦流磁場，渦流磁場和原始磁場產(chǎn)生反向斥力，從而使銅盤向下運動，通過傳動桿推動斷路器動觸頭向下運動完成分閘操作[19]。分閘分散度≤0.1 ms；合閘分散度≤0.2 ms。

圖2 快速開關(guān)機構(gòu)原理

2.2 過零點分相開斷

FSFCL采用的短路電流過零點分相開斷技術(shù)可實現(xiàn)該動作要求，過程包括：短路電流快速識別—過零點預(yù)測—精確相控開斷。其中，短路電流快速識別通過電流瞬時值和變化率來判斷，控制器依據(jù)預(yù)測出的短路電流有效值在故障發(fā)生后的數(shù)毫秒內(nèi)準(zhǔn)確預(yù)測到短路電流過零時刻[20-21]?？焖匍_關(guān)過零開斷限流如圖3所示，t1時刻發(fā)生短路故障，控制器接收到短路電流增大的信號并通過算法準(zhǔn)確預(yù)測出各相電流過零點時刻，t2時刻(電流過零點前臨界時間)快速真空開關(guān)觸頭分離，t3時刻(電流過零時刻)滅?。欢搪冯娏骺焖俎D(zhuǎn)移到電抗器L限流[15]。

圖3 短路電流過零開斷限流

3 FSFCL限流效果

3.1 理論分析

(a)短路發(fā)生瞬間電路

(b)限流器接入系統(tǒng)后電路

(c)等效短路限流效果

未接入FSFCL前系統(tǒng)的的短路電流大小Id為

(1)

(2)

限流比為

(3)

限流深度：

(4)

限流電抗接入系統(tǒng)進(jìn)行限流，由于快速開關(guān)兩端承受電壓大小受限，單個FSFCL的限流電抗不能過大，在高電壓等級系統(tǒng)限流時，單組限流器的限流深度有限，因此，限流裝置在高電壓等級應(yīng)用時，通常采用多級串聯(lián)的形式。

3.2 限流效果

本文采用Matlab/Simulink軟件仿真系統(tǒng)線路發(fā)生短路故障時FSFCL的限流效果，以三相短路故障為例，研究在安裝FSFCL前后線路的短路電流和電壓變化，110 kV系統(tǒng)三相短路故障仿真測試系統(tǒng)如圖5所示，在Matlab/Simulink仿真接線如圖6所示。系統(tǒng)參數(shù)如下描述。

FSFCL電感：80.86 mH。

線路l1：x1=0.4 Ω/km，r2=0.08 Ω/km，長30 km。

圖5 仿真系統(tǒng)電路

線路l2：x2=0.4 Ω/km，r2=0.08 Ω/km，長15 km。

變壓器T1：SN=35 MVA，K1=220/110,Vs=10.5%，Ps=144 kW，P0=30.8 kW，I0%=0.6。

變壓器T2：SN=20 MVA，K1=110/35，Vs=10.5%，Ps=78 kW，P0=22.5 kW，I0%=0.66。

變壓器T3：SN=125 MVA，K1=220/13，Vs=10.5%，Ps=445 kW，P0=130.5 kW，I0%=0.7。

負(fù)荷LD1：SLD1=3 MVA，cosφ=0.9。

負(fù)荷LD2：SLD2=10 MVA，cosφ=0.9。

負(fù)荷LD3：SLD3=5 MVA，cosφ=0.9。

在系統(tǒng)中設(shè)置0.3 s發(fā)生三相短路故障，仿真未接入任何限流措施、接入串抗及接入FSFCL后系統(tǒng)短路電流變化，仿真結(jié)果如圖7所示。圖7(a)中未接入任何限流措施時，系統(tǒng)的短路電流在0.3 s達(dá)到最高峰值3.67 kA，經(jīng)過一段時間后達(dá)到穩(wěn)態(tài)值2.0 kA。在仿真系統(tǒng)設(shè)置發(fā)生故障后的0.015 s 時刻FSFCL接入，其短路電流變化如圖7(b)所示，短路電流在0.3 s達(dá)到的最高峰值為3.52 kA，隨后穩(wěn)定在1 kA左右，接入FSFCL后的短路電流限制效果接近50%。

圖6 FSFCL限流模型

(b)接入FSFCL

(a)未接入任何限流措施

(b)接入FSFCL

發(fā)生故障后測得的T1二次側(cè)電壓變化情況如圖8所示，圖8(a)未接入任何限流措施時，發(fā)生短路故障，電壓下降到38.2 kV；圖8(b)接入FSFCL時，電壓下降到62.7 kV，相對無限流措施，電壓提升了64.13%。

4 FSFCL對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響

在電網(wǎng)中安裝FSFCL后限流同時也會對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，因此，本文采用電力系統(tǒng)分析綜合程序(PSASP)軟件校驗FSFCL投入后系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性。功角穩(wěn)定性是系統(tǒng)受到大擾動后發(fā)電機功角曲線不失擺，且在第二擺后逐漸趨于穩(wěn)定；系統(tǒng)受到的大擾動通常指短路、斷線故障等。以寧夏330 kV線路安迎I線短路故障為例，校驗FSFCL接入后系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性變化，PSASP穩(wěn)定計算數(shù)學(xué)模型如下：

(1)發(fā)電機及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

發(fā)電機穩(wěn)定計算時數(shù)學(xué)模型選用綜合程序中的模型3(按照國家電網(wǎng)安全穩(wěn)定計算技術(shù)規(guī)范進(jìn)行計算)，該模型不僅包含了Ed″、Eq″、Eq′的變化，并同時考慮了發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)、調(diào)速系統(tǒng)對穩(wěn)定性的影響。

(2)負(fù)荷模型。

發(fā)電廠的廠用電負(fù)荷按恒阻抗，電動機設(shè)置。

(3)動作時間。

FSFCL動作時間設(shè)置為15 ms，系統(tǒng)切除故障時間為0.1 s。

分別設(shè)置不同參考條件下系統(tǒng)發(fā)電機的功角穩(wěn)定性，仿真結(jié)果如下：

(1)發(fā)電機組G1、G2、G3、G4的功角穩(wěn)定特性。

以線路發(fā)生三相短路故障為例，圖9為接近故障點發(fā)電機組G1、G2、G3、G4在安裝FSFCL前后的功角變化，黑色曲線為安裝FSFCL后的功角，剩余顏色均為安裝前的功角變化曲線。由圖可知，在安裝FSFCL后系統(tǒng)發(fā)電機組依舊保持功角穩(wěn)定，且安裝FSFCL后的發(fā)電機組功角穩(wěn)定性增加。

圖9 安裝FSFCL前后不同發(fā)電機組功角變化

(2)不同限流深度。

發(fā)生三相短路故障后，不同限流深度下，發(fā)電機G4功角曲線如圖10所示，F(xiàn)SFCL的限流電抗越大，轉(zhuǎn)子最大搖擺角越小。此時，由于發(fā)電機輸出功率提高從而使加速面積減小，系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性升高。

圖10 不同限流深度時G4功角變化

(3)不同故障切除時間。

圖11為不同故障切除時間下的發(fā)電機功角變化，切除時間為60 ms時的功角最小，隨著切除時間的增加，發(fā)電機功角逐漸增大，當(dāng)切除時間達(dá)到200 ms時，未安裝FSFCL的發(fā)電機組功角失去同步，安裝FSFCL的發(fā)電機功角在經(jīng)歷了一段時間的振蕩后收斂到了一個新的穩(wěn)定狀態(tài)。相比于未安裝FSFCL，安裝FSFCL后的系統(tǒng)極限切除角增加，系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性提升。

(a)故障切除時間60 ms

(b)故障切除時間100 ms

(c)未安裝FSFCL故障切除時間200 ms

(d)安裝FSFCL故障切除時間200 ms

5 結(jié) 論

(1)介紹了一種基于快速開關(guān)的低損耗新型故障限流裝置，其技術(shù)參數(shù)滿足大電網(wǎng)對限流裝置的快速性、可靠性和安全性的要求。

(2)利用 MATLAB/Simulink及PSASP 軟件分別搭建FSFCL在110 kV系統(tǒng)和330 kV系統(tǒng)中的仿真模型，仿真結(jié)果表明：在系統(tǒng)發(fā)生短路故障時FSFCL短路電流限制效果達(dá)到50%，電壓提升了64.13%，抑制效果明顯，且接入系統(tǒng)后的暫態(tài)穩(wěn)定性顯著提升。