500 kV限流器接入對廣東電網(wǎng)潮流分布影響分析

楊帆，張旭，葉其革

(廣州電力設計院有限公司，廣東 廣州510075)

0 引言

隨著珠三角經(jīng)濟的飛速發(fā)展，廣東電網(wǎng)中珠三角電網(wǎng)的互聯(lián)緊密，樞紐站數(shù)量眾多，電廠、變電站出線較多，加深了電網(wǎng)結構的復雜程度，短路電流水平加劇[1－2]。尤其是近年來，廣東電網(wǎng)的裝機容量和500 kV網(wǎng)架建設都高速發(fā)展，電網(wǎng)結構的加強滿足了廣東電網(wǎng)負荷增長和可靠性供電的需求，但同時也帶來了珠三角地區(qū)500 kV電網(wǎng)短路容量的穩(wěn)步增長。500 kV電網(wǎng)全接線條件下，短路電流水平超過60 kA的站點有10個，超過63 kA的有3個，平均短路電流水平42·4 kA[3]。盡管部分方式下可以通過調(diào)整電網(wǎng)結構來降低短路電流水平，但也降低了電網(wǎng)運行安全裕度。在不改變電網(wǎng)結構的情況下，壓減電源開機和出力也是降低短路電流水平的措施之一，受此影響近兩年惠蓄電站在夏季迎峰度夏期間不能全開機運行，無法完全發(fā)揮其調(diào)峰作用。

電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，通常會以斷路器開斷線路的方式來應對。但隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴大，短路電流的急劇增加，許多地區(qū)電網(wǎng)均有斷路器難以開斷的潛在隱患。目前我國能夠批量生產(chǎn)應用的500 kV斷路器的最大開斷容量為63 kA，較為經(jīng)濟實用的真空斷路器的開斷能力均在50 kA以下，當短路電流大于最大開斷電流時，線路中會因電弧的作用而使得斷路器無法正常工作。因此，短路容量的急劇增加已成為電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行的嚴重隱患和亟待解決的關鍵技術難題之一[4－5]。

為了限制短路電流而又不增大系統(tǒng)阻抗，20世紀70年代初John C·Cronin就提到了故障電流限制器(Fault Current Limiter，F(xiàn)CL)[6]。經(jīng)過30多年的發(fā)展，特別是近幾年隨著大功率半導體器件、高溫超導技術以及微電子控制技術等的發(fā)展，涌現(xiàn)出了各種類型的故障限流器[7－8]，不同故障限流器的具體工作機理各不相同，但最基本的限流原理一樣:都是在系統(tǒng)正常運行條件下對外不呈現(xiàn)阻抗，當系統(tǒng)發(fā)生短路故障時迅速串入系統(tǒng)網(wǎng)絡中，呈現(xiàn)高阻抗狀態(tài)以起到限制短路電流的作用。針對高壓及超高壓電壓等級、90 kA級別短路電流的應用場景，基于高耦合分裂電抗器(High Coupled Split Reactor，HCSR)[9]的 限 流 器 在110 kV、220 kV、500 kV電壓等級有著良好的應用前景。根據(jù)廣東電網(wǎng)2021年規(guī)劃方案，廣東電網(wǎng)將在廣南站建設基于HCSR的500 kV限流器示范工程，該示范工程可抑制短路電流90 kA，限流幅度達40%及以上，穩(wěn)態(tài)運行損耗≤0·02%，成為世界上首個500 kV/90 kA限流器示范工程[10]。

基于高耦合電抗型的500 kV/90 kA限流器裝設在線路上后，會對廣東電網(wǎng)整個系統(tǒng)的潮流分布造成一定的影響。以廣南站500 kV/90 kA限流器示范工程為背景，利用BPA[10]仿真軟件研究在500 kV限流器接入(10 ms/20 ms啟動)后，限流器接入后對系統(tǒng)潮流分布的影響進行了仿真研究，主要包括耦合系數(shù)對無功潮流的影響。

1 500 kV限流器工作原理

基于高耦合度分裂電抗器工作原理接線如圖1所示。

圖1 基于HCSR的并聯(lián)型斷路器原理圖

高耦合電抗器HCSR由相互耦合的兩個線圈組成，兩個線圈一端短接，另一端分別連接相互并聯(lián)的斷路器，形成兩個相互并聯(lián)的支路[11－12]。當兩個支路都有電流通過時，兩個線圈產(chǎn)生的磁通在公共磁路內(nèi)相互抵消，使得線圈對外只表現(xiàn)出很小的漏電感；而當兩個支路電流不均衡或只有單個支路通流的情況下，線圈產(chǎn)生的磁通較大，對應的電感線圈對外表現(xiàn)為較大的電感，可限制對應支路的故障電流。由于耦合線圈的上述作用，基于HCSR的并聯(lián)型斷路器能夠?qū)崿F(xiàn)并聯(lián)斷路器的自動均流、限流，從而有效提高斷路器的載流、開斷能力。

由于基于HCSR的限流器拓撲均采用快速開關，而單個快速開關難以滿足暫態(tài)恢復電壓要求，因此考慮通過多個限流器模塊串聯(lián)來降低對單個快速開關的開斷能力要求[13]。如圖2所示，采用兩個限流器模塊串聯(lián)，每個HCSR的單臂電感為4 mH，耦合系數(shù)均為0·97，快速開關共有4個。

圖2 兩個模塊串聯(lián)的限流器改進拓撲示意圖

對于三相接地短路和三相不接地短路故障，根據(jù)已有的研究結果，兩個相同限流器串聯(lián)的限流效果與采用一個單臂電感8 mH的HCSR完全相同。目前所給模型的單個限流器的單臂限流電感為4 mH，耦合系數(shù)為0·97，均流情況下HCSR的漏電感為(1－0·97)/2×4 mH＝0·06 mH，對應的等效阻抗約為0·018 85 Ω；限流情況下HCSR單臂電感為4 mH，對應的等效阻抗約為1·256 6 Ω?？紤]到兩個限流器串聯(lián)工作，因此在正常工作中，均流情況下，HCSR的漏電感為0·12 mH，對應的等效阻抗約為0·037 7 Ω；而在限流情況下，HCSR單臂電感為8 mH，對應的等效阻抗為2·513 2 Ω。

基于HCSR的并聯(lián)型斷路器在動作之前，HCSR起到均流作用，保證兩并聯(lián)支路電流基本相同，此時HCSR對外表現(xiàn)為漏電感，在分析HCSR對繼保的影響時，需要考慮HCSR漏電抗對電網(wǎng)中各個電氣量的影響。而HCSR的耦合系數(shù)很高，對應的漏電感很小，在耦合系數(shù)為0·97的情況下，單臂電感為4 mH的HCSR的漏電感僅為0·06 mH(等效阻抗約為0·018 85 Ω)。因此，在成套裝置動作之前，HCSR的等效阻抗與線路阻抗相比很小。

風險事件后果嚴重性可通過事故情景構建和事故演化過程分析，采用問卷調(diào)查的方式讓專家或一線工作人員結合自身風險管理經(jīng)驗從人員傷亡、直接經(jīng)濟損失、環(huán)境損失等多個角度進行評估.

2 基于BPA的限流器等效模型

在BPA軟件中，沒有限流器模型。為此，需要設計對應的等效電路以代替限流器的動作。限流器工作有兩個階段，分別是均流階段和限流階段。在均流階段，限流器開關不動作，限流器對外表現(xiàn)為漏電抗；在限流階段，限流器開關動作，限流器對外表現(xiàn)為大電抗[14]。

為了體現(xiàn)限流器的特性，同樣設計兩條線路電抗來對實際中的限流器模型進行等效。兩條電抗回路并聯(lián)時，其等效電抗等效為漏電抗；當其中一條線路斷開時，其對外電抗為限流器工作電抗。

支路1電抗X1設置為8 mH，等效電抗為:

所安裝線路的基準電壓為500 kV，容量基準為100 MVA，因此可以得到阻抗基準值為XBase＝2 500 Ω，因此，支路1的阻抗標幺值為0·001。

耦合系數(shù)為0·97時，支路2與支路1并聯(lián)后的等效電抗為0·12 mH，根據(jù)并聯(lián)公式，應滿足如下關系:

式中，X1、X2分別為支路1、支路2的電抗，XA為等效電抗。

根據(jù)上述公式，可以求解得到支路2的電抗為:

根據(jù)基準值，可以得到支路2對應的電抗標幺值為0·000 015 3。

在均流階段，兩條線路均接入電路，對外表現(xiàn)為漏電抗；在限流階段，第二條并聯(lián)線路斷開，第一條線路不進行任何操作，此時線路對外表現(xiàn)出大電抗。

500 kV順德—廣南限流電抗器工程2021水平年及系統(tǒng)方式下，流過限流器的短路電流水平計算結果見表1。從表1可見，當不考慮限流器單元連接處發(fā)生接地故障時，接入限流電抗器后，單相接地線路短路電流水平由未接限流電抗器的90 kA水平降低至49·6 kA，限制水平超過了40%；最大峰值電流限制到119·1 kA。

表1 流經(jīng)500 kV順德—廣南限流電抗器的短路電流 kA

3 500 kV限流器接入對廣東電網(wǎng)潮流的影響分析

廣南站500 kV/90 kA限流器示范工程限流電抗器安裝在廣南—順德甲線廣南站內(nèi)，廣南站及周邊電網(wǎng)潮流分布如圖3所示。

圖3 廣南站及周邊電網(wǎng)潮流分布

在正常情況下，將加裝限流器前后的潮流分布情況進行比對，以網(wǎng)損作為對比分析對象。表2為耦合度為0·97的網(wǎng)損結果。從表2中不難發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，限流器不會對電網(wǎng)的正常運行造成影響，僅僅會增加很小一部分的無功網(wǎng)損。

表2 耦合度為0.97的網(wǎng)損結果對比

進一步對不同耦合度限流器接入電網(wǎng)對潮流造成的影響進行分析，分別給出耦合系數(shù)為0·95和0·90情況下的系統(tǒng)潮流分布，結果見表3—4。

表3 耦合度為0.95的網(wǎng)損結果對比

表4 耦合度為0.90的網(wǎng)損結果對比

當耦合系數(shù)為0·95時，單臂電感均流情況下HCSR的漏電感為(1－0·95)/2×4 mH＝0·10 mH，對應的等效阻抗約為0·031 416 Ω，限流情況下HCSR單臂電感為4 mH，對應的等效阻抗約為1·256 6 Ω。兩個限流器串聯(lián)在正常工作中均流情況下，HCSR的漏電感為0·20 mH，對應的等效阻抗約為0·062 83 Ω；而在限流情況下，HCSR單臂電感為8 mH，對應的等效阻抗為2·513 2 Ω。

當耦合系數(shù)為0·90時，單臂電感均流情況下HCSR的漏電感為(1－0·9)/2×4 mH＝0·20 mH，對應的等效阻抗約為0·062 83 Ω，限流情況下HCSR單臂電感為4 mH，對應的等效阻抗約為1·256 6 Ω。兩個限流器串聯(lián)在正常工作中均流情況下，HCSR的漏電感為0·40 mH，對應的等效阻抗約為0·125 66 Ω；而在限流情況下，HCSR單臂電感為8 mH，對應的等效阻抗為2·513 2 Ω。

根據(jù)上述仿真結果可知，在加裝限流器前后，電網(wǎng)的無功損耗有所增加，但增加不大；同時由于限流器的接入，導致了部分潮流的轉移，因此系統(tǒng)有功功率的損耗也發(fā)生了變化。除此之外，加裝限流器前后，系統(tǒng)中各個節(jié)點的電壓幅值和相角并未發(fā)生明顯變化，即限流器的安裝并不會對電網(wǎng)正常工作情況下的安全穩(wěn)定運行造成影響。

4 結論

本文以廣南站500 kV/90 kA限流器示范工程為背景，利用BPA仿真軟件研究在500 kV限流器接入(10 ms/20 ms啟動)后，對系統(tǒng)潮流分布和暫態(tài)穩(wěn)定功角差的影響進行了仿真研究，結果表明:

1)在穩(wěn)態(tài)情況下，由于500 kV限流器的耦合系數(shù)較高，對外表現(xiàn)的漏電抗較小，不會影響系統(tǒng)正常工作時的節(jié)點電壓。但是其對外表現(xiàn)的漏電抗，仍然可能造成無功損耗的增加。綜合給出的所有仿真結果，無功損耗的增加值通常低于0·5 Mvar。

2)隨著耦合系數(shù)的降低，限流器對外呈現(xiàn)的漏電抗越大，會拉低節(jié)點的正常工作電壓，同時會增大電網(wǎng)中的無功損耗，因此應盡量提高限流器的耦合系數(shù)。