故障限流器对电力系统影响的机理分析

孙守文,哈恒旭,胡希同,杜 强

(1.山东理工大学电气与电子工程学院,山东 淄博 255091;2.电磁场与电器可靠性省部共建国家重点实验室培育基地(河北工业大学),天津 300130)

近年来,电力系统容量逐年增加,电网短路电流水平也日益增大,因此对断路器切断电流的水平提出了更高的要求.近年来一些电网如广东电网、华东电网、江苏电网等,随着系统容量的扩大和电网结构的增强,高电压等级线路的最大短路电流已接近或超过设备所能承受的限额,资料表明,三峡电站可能的最大短路电流将会达到300kA,而目前国际上生产的GIS(气体绝缘组合设备,Gas Insulated Switchgear)仅为100kA的极限容量[1-3].因此,短路电流问题已经非常严峻.当前限制短路电流水平常采取调整电网结构、改变系统运行方式、安装限流保护设备等3种方法来实现[4].其中在电力系统中串入限流电抗器,即故障限流器不失为解决短路电流水平的极佳方案之一.文献[5-7]论述了目前故障限流器的分类及研究应用现状,指出随着电力电子技术的发展,固态FCL技术愈来愈成熟,目前已在中低压配电设备中获得了应用.文献[8]利用EMTP仿真分析了FCL限制短路电流的水平.本文在介绍FCL暂态模型的基础上,研究故障限流器对电力系统暂态稳定性影响的机理,进而分析FCL投入后对高压系统距离保护整定范围的影响,并利用PSCAD-EMTDC仿真安装故障限流后对电压跌落的影响.

1 FCL对电力系统暂态稳定性的影响机理分析

1.1 FCL的简单等效暂态模型

在系统正常运行时和系统发生短路故障且FCL没有投切之前,FCL的等效电感接近于0,近乎对系统无影响;系统发生故障后很短时间,FCL迅速投入电感进行故障限流.在忽略FCL中各元件电磁暂态过程的前提下,其简单等效暂态模型如图1所示.系统正常运行和发生故障而FCL没有动作之前,开关S一直处于闭合状态,系统电流通过短路开关;故障发生后5 ms,开关S断开,限流电感 L投入系统进行故障限流.

图1 FCL的简单等效暂态模型

1.2 故障限流器对电力系统暂态稳定性的影响

图2为在两条出线的始端分别安装故障限流器的单电源输电系统,当系统的出线口一处发生三相短路故障时,对系统的暂态稳定性机理进行分析.

图2 具有FCL的输电系统

系统正常运行时:

系统故障,FCL未动作时:

系统故障,FCL动作后:

故障切除后:

由式(1)～(8)得

1.3 功角特性分析

由式(9)可得系统在不同情况下的功角关系,如图3所示.图3中,δ0为正常运行时功角;δf为故障发生时功角;δb为 FCL投入时功角;δc为故障切除时功角.FCL的投入可使发电机输出的电磁功率增大、系统的加速面积减小,即减小了汽轮机转子在系统故障期间的过剩动能积累,从而对系统的暂态稳定性产生积极的影响,增大发电机的暂态稳定裕度,降低失步的可能性.

图3 具有FCL的系统功角曲线图

正常运行时,发电机向无穷大系统输送的有功功率为Pe=Pm,原动机的输入功率为Pm,发电机稳定工作点在a点,对应的功角为δ0;发生三相短路瞬间,发电机的功率特性瞬时降为PII,工作点移动至b点;大约5ms后,工作点沿PII移动到c点,对应的功角为δf,此时,FCL动作串入线路中,功率特性立即变为PIII,工作点也相应地变化到d点;当工作点沿PIII移动到e点时,故障被切除,功率特性立即变化为PIV,工作点也相应变化到g点,对应的功角为δf,此后工作点将沿 PIV向h点移动.由图3可以看出,具有FCL的系统加速面积为Sabcdef;而没有FCL的系统,加速面积会沿着a-b-c-i-e-f-g-h的方向移动为Sabcief.这样通过FCL的串入而减少了系统的加速面积,达到稳定系统暂态的积极效果,这种做法与通过自动重合闸增加系统减速面积来提高系统稳定性的做法类似,但相对于自动重合闸重合永久故障时会恶化系统暂态稳定性的情况,FCL对提高系统暂态稳定性更为有效实用.

2 故障限流器对距离保护的影响

2.1 传统距离保护的整定动作特性

当线路发生短路故障时,FCL将自动串入故障回路来限制短路电流,这样不仅破坏了原来系统距离保护的范围,而且也降低了距离保护的灵敏度.

通常我们选择方向圆特性的阻抗继电器作为距离保护中的测量元件,未串入故障限流器时,方向圆阻抗继电器的动作特性如图4所示,其绝对值比较动作方程为

式中,Zm为测量阻抗;Zset为整定阻抗.线路串入限流器后,方向圆内的Zm可能落入圆外,方向阻抗继电器检测不到圆内的故障从而导致保护失灵.在FCL接入系统之前需要根据相关参数重新整定Zset,即距离保护I段修正后的整定值为

图4 修正前的方向阻抗继电器动作特性

2.2 修正后距离保护的整定动作特性

为使接入FCL后方向阻抗继电器仍能迅速准确动作而不会使距离保护失灵,修正后Z＇set的方向阻抗特性如图5所示.

3 故障限流器对电压跌落的影响

3.1 电压跌落

图5 修正后的方向圆阻抗继电器动作特性

随着新技术产业的不断出现,电能质量已越来越被电力企业所关注.其中,电压跌落问题已被认为是影响许多用电设备正常、安全运行的最主要的动态电能质量问题.对于电压跌落,国际电工委员会(International Electrotechnical Commission,IEC)所用术语为voltage dip;国际电力电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)所用术语为 voltage sag.衡量电压跌落程度的参数主要有2个:电压跌落幅度和电压跌落持续时间.IEEE对电压骤降的定义为:供电电压有效值快速下降到额定值的90%～10%,并持续0.5～30个工频周波.

电压跌落通常是由供电系统或用户内部的短路故障引起的,也可能是由于大电动机启动不当造成[9].例如,当雷击和绝缘子污闪引起系统短路时,保护动作将其切除,然后又自动重合闸成功.这时故障线路上的用户将经历一次短路断电,邻近(同一供电母线)的其他用户一般都会出现一次电压暂降过程.如果重合闸不成功,故障线路再次断电,则故障线路上的用户可能长期(大于3min)断电,而其他用户将再经历一次电压跌落过程.

3.2 FCL对电压跌落影响的仿真验证

短路故障引起的电压跌落,严重影响电气设备的正常运行,甚至造成巨大的经济损失.对于在电网母线与馈线连接处安装故障限流器以此来限制短路电流和减少电压跌落的研究在文献[10-11]中已有介绍.下面利用PSCAD-EMTDC对FCL抑制电压跌落的效果进行仿真分析.

PSCAD-EMTDC的仿真电路如图6所示.图6中,发电机的端电压U 为10kV;系统内电阻Rs为0.3Ψ;系统内电感 Ls为 1mH;R1、L1、R2、L2分别为支路1、2的线路电阻和电感,其值分别为0.39Ψ和10mH;支路1的等效负荷为50Ψ;支路2的等效负荷为10Ψ;K1为模拟金属接地的等小开关;K2为限流器接入的快速开关.

图6 FCL对电压暂降影响的仿真图

仿真过程:t=0.1s时,开关 K1动作,此时发生单相接地故障;t=0.15s时,K2动作,故障限流器投切.图7,图8分别为没有故障限流器和有故障限流器时的母线端电压的波形仿真图.

图7 无FCL时的母线端电压波形

图8 有FCL时的母线端电压波形

由图7、图8可知,当线路发生故障时,若无FCL,则母线端电压几乎为0;有FCL时,根据串入线路FCL电感值的不同,母线电压发生不同程度的跌落,在一定范围内,FCL电感值越大,抑制电压跌落的效果越好.图8中,母线电压只是跌落一半.因此,FCL可以有效地抑制电压跌落,从而减小电压跌落对电力系统的影响.

4 结束语

通过在FCL暂态模型的基础上进行的相关分析仿真验证可知,故障限流器可以通过减少发电机的加速面积,从而提高系统的暂态稳定性.故障限流器能减少对距离保护的影响,故障限流器的串入可以有效地抑制系统的电压跌落.

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