不同接入方式下限流电抗器参数计算方法研究

赵铁英，刘俊领

(a．河南理工大学 电气工程与自动化学院;b．河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000)

不同接入方式下限流电抗器参数计算方法研究

赵铁英，刘俊领

(a．河南理工大学 电气工程与自动化学院;b．河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000)

为了限制短路电流水平，电力系统中多采用线路中串联限流电抗器的方法来限制短路电流，限流电抗的参数直接影响到短路电流水平。通过计算系统需要接入的电抗值，选择合适的电抗器参数，可以使短路电流保持在供电系统能够接受的范围。针对电力系统中限流电抗器的两种不同接入方式，对包含限流电抗器的配电网短路过程进行分析，根据不同接入方式下系统短路暂态过程中电流变化规律，结合故障时系统能够承受的最大电流水平，计算出限流电抗器需要提供的阻抗值，推导出限流电抗器参数阻抗值选择计算方法。结果表明在不同接入方式下，所需接入的电抗值不同，经故障限流器接入时，电抗器接入系统时间滞后于短路发生时间，因此为了获得相同的限流效果，需要选择阻抗值更高的限流电抗器。

电力系统;短路;限流电抗器;接入方式

0 引言

限流电抗器有较高的阻抗值，常串接在电力线路中，增大系统短路故障时短路阻抗，限流电抗器阻抗值的大小与限流后故障电流的幅值有直接关系。系统短路时故障电流流过限流电抗器，短路电流水平得到限制，同时可以使供电系统故障时母线残压维持在一定的水平，使电压不至于很快降落，电网中正常部分可以继续工作，故障范围不至于扩大［1～3］。因此，选择合适的限流电抗器参数既可以保证故障时电流不至于过大，又可以维持一定的系统电压水平，这对于保证电力系统的安全有着重要的作用。

1 限流电抗器及接入方式分析

限流电抗器是电抗器的一种［4～7］，根据磁路结构的不同，限流用电抗器一般选择空心电抗器，串联在线路中使用。目前已有空心限流电抗器应用于电力系统故障限流的实例，国际上，已有巴西、加拿大［8，9］等国应用了这项技术，取得了良好的效果;国内的一些工业应用领域、在配电网中也应用了这项技术［10－12］。

1.1 不同接入方式下短路电流对比

限流电抗器在电力系统中的接入方式一般有两种:直接接入和故障限流器FCL方式接入。

直接接入方式中，电抗器工作方式不可控，限流电抗器直接串联在供电电缆线路中［13］，如图1所示。限流电抗器接在供电线路上，由于限流电抗器阻抗值一般较大，故障时电流可以受到限制不至于过高;这种接入方式简单清楚，线路接线、安装较容易。

图1 限流电抗器直接接入时配电网结构图

但是，由于系统正常时限流电抗器也一直接在系统中，正常时电抗器两端压降较大，电能损耗问题较严重，因此在某些高电压、大电流的场合下，可以在限流电抗器的两端并联上开关控制电路，构成故障限流器来使用，这是故障限流器方式，限流电抗器工作在可控状态［14，15］，如图 2所示。系统正常时，限流电抗器被开关电路短接，没有接入到电路中去;当系统发生故障时，开关电路断开迅速将限流电抗器接入系统，利用限流电抗器的高阻抗来增大系统短路时总阻抗值，达到减小短路电流的目的。采用可控方式时，故障限流器只在故障时接入到系统中去，系统正常时电抗器无电流流过，因而不会产生多余的电能损耗和电压降落，经济性较高，缺点就是构成故障限流器后开关控制电路较复杂。

图2 故障限流器方式下配电系统网图

1.2 不同接入方式下短路电流对比

故障限流器中限流电抗器工作性质与直接连在供电系统中的限流电抗器不同，后者一直连在系统中，故障时限流电抗器阻抗直接计入系统短路阻抗中;故障限流器中限流电抗器开始并未接入系统，只在故障发生后一个极短的时间后才接入系统，而短路故障发生到限流电抗器接入这一时间段内，系统短路阻抗不包括限流电抗器阻抗，因此，故障限流器中限流电抗器阻抗值计算方法与传统直接连在供电系统中的限流电抗器阻抗值计算方法不同。

1.2.1 限流电抗器直接接入时短路电流

电力系统电网中直接接故障限流器后，此时电抗器一直接在供电系统中，为不可控工作方式。当电网发生三相短路故障时可以只对其中的一相进行分析［16］。设图1中 Ua=Umsin(ω +α)，短路前电流为Im(0)，短路后电流为i1。

1.2.2 故障限流器方式接入

由文献可知［17，18］，限流电抗器通过故障限流器接入电网时，电网短路要经历2个暂态过程，即短路和限流过程。短路发生一段时间后，故障限流器才能够动作将限流电抗器接入电路中，此时电路进入限流过程。因此流过限流电抗器的短路电流为第2个暂态过程即限流过程中电流i2。设故障限流器动作时间为t1，则有

所以，电抗器直接接入、故障限流器方式，系统短路电流分别为i1，i2

对比以上2式可以看出，这两个电流波形完全不同，幅值不同，相位也不同，并且i2中含有2个衰减震荡的部分。

1.2.3 电流仿真

现以10 kV电网为例，采用MATLAB绘出不同工作方式下短路电流波形，如图3所示。供电系统参数如下:三相电源，A相电压为Ua=10sin(ωt+α)kV;B 相电压 Ub=10sin(ωt+α－120°)kV;C 相电压 Uc=10sin(ωt+α +120°)kV。每相中 R =0.15 Ω，L=5 mH，Lx=2 mH，R'=50 Ω，L'=150 mH。图3中作出了三种情况下高压电网短路时电流变化波形，图中电流依次为:系统中无限流装置、故障限流器FCL方式下短路电流、限流电抗器直接接入时短路电流。

图3 短路电流波形对比

从图3中可以看出，三种情况下电流幅值有明显不同，由于所接的限流电抗器阻抗值较小，所以限流电抗器的电流移相作用不明显，电流相位差别不大。由此可以看出，限流电抗器采用不同的接入方式，短路电流幅值明显不同，因此，为了达到同样的限流效果，即限流后电流幅值相同，所需要的限流电抗器阻抗值不同，这就需要根据不同的接入方式对需要接入系统的阻抗值进行分别计算。

2 不同接入方式下限流电抗器参数计算

2.1 限流电抗器主要参数

描述电抗器特性的主要参数有:额定电压、额定电流、电抗率、单相容量、额定损耗等，其中，电抗器的电抗率表示的是电抗器的电抗值，电抗率越高阻抗值也越高。因此选择限流电抗器时，首先根据电力系统中电气参数，选择电抗器额定电压、电流满足系统要求;然后从故障限流结果出发，对所需电抗器阻抗值进行分析计算，得到需要接入系统的阻抗值，换算成电抗器的电抗率参数。

受到线路、设备参数、断路器最大开断电流等因素的限制，线路上可以流过的最大短路电流值Isc为一定值。当短路故障时，短路电流将超过系统允许的最大短路电流值Isc，需要将短路电流限制在Isc以下，这就需要在线路上串接一定的阻抗值，文中以Isc为限制条件计算需要接入的电抗器阻抗值。

2.2 限流电抗器直接接入

电抗器直接接入时系统短路电流为i1，

短路电流的最大值将出现在约短路后半个周期t=0.01 s，则i1max可表示为

选择合适的限流电抗器阻抗值Lx，带入式(3)，使i1max值位于式 (3)范围内，即可满足系统限流要求。

2.3 故障限流器方式下电抗值计算

考虑到故障限流器接入方式下，电网中短路过程中将出现两个暂态过程，电路电流变化规律不同，由暂态过程中电流变化可以推导出所需的限流阻抗值大小，结合系统故障时母线残压水平要求，可以综合考虑限流电抗器阻抗值的要求。

电网短路过程中，电路接入FCL后，短路电流按照i2规律变化，电流最大值i2max将出现在t=0.01 s时。FCL动作时间不同会引起i2max值的变化，考虑到目前FCL一般动作时间在4～8 ms，这里取t1=5 ms。所以i2的一个最大值将出现在t=0.01 s、t1=5 ms=0.005 s时。将以上各参数代入式 (2)，使得

由文献可知，短路前电路空载时，短路电流i1冲击值最大，相应第2个暂态过程中i2起始值也最大，所以这里取Im'(0)=0，α=0。一般在电路回路中，电抗值比电阻值大许多，可以近似认为φ″=φ'≈，故式 (4)可以简化为

要求供电系统在短路时最大短路电流，即短路电流冲击值i2max小于系统允许流过的最大电流Isc，即

选择合适的限流电抗器阻抗值Lx，带入式(8)，使I″m值位于式(8)范围内，即可满足系统限流要求。

2.4 实例分析

针对图1、图2中电路，各元件参数设置一致，取A相各元件参数为:Ua= 10sin(ωt+α)kV，R=0．15 Ω，L=5 mH，Lx=2 mH，R'=50 Ω，L'=150 mH，Isc=10 kA，图2中故障限流器动作时间t1=0.005 s。

(1)如果电网中不采取限流措施时，短路电流最大值为

可以看出，不采取限流措施时，短路电流幅值将达到11kA，超过了系统可以接受的最大电流值，所以需要采取限流措施以减小短路电流。

(2)直接接入方式，采用Lx=1 mH的电抗器，带入式 (3)计算可得

采用电抗器直接接入方式下，需要接入的电抗值为1mH就可以满足限流的要求。但此时，当系统正常时，电抗器两端的压降为

由以上计算可以看出，系统直接接入电抗器，可以有效限制短路电流水平，但是，系统正常状态下电抗器两端的压降不容忽视，电抗器消耗的电能则更大。

(3)故障限流器方式中，如果仍然采用Lx=1 mH的电抗器，带入式 (8)计算得

经过计算发现如果仍然选用1 mH的电抗器，电流将不能满足式 (8)，说明与直接接入方式相比，经故障限流器方式接入时，限流电抗在短路发生后一段时间才接入到系统，限流电抗限流作用时间短，无法满足限流要求。为了达到需要的限流效果，需要选择阻抗值更大的限流电抗器。

增大电抗器阻抗值，选择Lx=2 mH的电抗器，带入 (式8)计算得

满足式 (8)，所选限流电抗器电抗值可以达到限流要求。

将Lx=2 mH代入式 (2)计算短路电流，对所选的限流电抗器进行短路电流验证计算可知

i2(Lx=2 mH)=9.575 5 kA≤Isc

计算表明选择此参数的电抗器后，短路电流幅值被大大减小，降到了10 kA以下，可以满足供电系统的限流要求，同时系统正常时电抗器由故障限流器短接，电抗器两端电压降落很小，不会影响系统正常电压水平。

3 结论

电抗器有较大的阻抗值，通过在供电网络中接入电抗器，可以增加系统短路时等效阻抗，降低短路电流水平。电网中，电抗器有两种接入方式:(1)直接串接在电缆线路上;(2)经故障限流器接入系统。系统发生短路故障时，两种接入方式中电抗器接入系统时间不同。针对短路过程中电流变化规律进行分析，本文提出了不同接入方式下，系统需要接入的电抗器阻抗值计算方法，并通过实例经行了验证。

实例分析表明，在不可控方式下，电抗器直接接在系统中，短路发生瞬间即开始限流作用，需要接入的限流电抗器阻抗值较小;电抗器经故障限流器接入时，短路发生瞬间，电抗器未接入系统，经过很短的时间后，故障限流器动作将电抗器接入系统，电抗器接入系统时间滞后于短路发生时间，因此为了获得相同的限流效果，需要选择阻抗值更高的限流电抗器。

［1］Morandi A．Fault Current Limiter:An Enabler for Increasing Safety and Power Quality of Distribution Networks ［J］．IEEE Transactions On Applied Superconductivity，2013，23(6)，1051－8223．

［2］ Escobar A，Balda J C，Bourne J，et al．Enhancing Power Quality on Distribution Systems with Fault-Current Limiters［C］．Washington，DC:2012 IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies，2012:1 －5．

［3］Shimizu H，Matsumura T．A study on effect of fault current limiter on bus voltage sag during short-circuit fault［J］．Transactions on Power and Energy，2008，128(2):486－492．

［4］周静华．变电站低压侧限流电抗器电抗值的选择［J］．供用电，2009，26(3):48－49．

［5］陈水明，许伟，王振兴，等．500 kV限流电抗器对瞬态电压的影响及限制措施［J］．华北电力技术，2008，(1):11－15．

［6］杨帆．干式空心限流电抗器技术特点［J］．华东电力，2005，33(5):38－40．

［7］殷自力，罗彦青．VSC-HVDC系统换流电抗器参数设计［J］．电力科学与工程，2008，24(2):40－42．

［8］Amon J F，Fernandez P C，Rose E H，et al．巴西在将限流电抗器用于短路电流限制方面取得的成功经验［J］．电气应用，2006，25(1):4－8．

［9］Bellei T A，Camm E H，Ransom G．Current-limiting inductors used in capacitor bank applications and their impact on fault current interruption［C］．Atlanta:2001 IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exposi-tion，2001，1:603－607．

［10］杨振宇，陈曙，李茹．500 kV故障限流器对保护的影响及解决方案 ［J］．电工电气，2011，(6):38－42．

［11］郭萌，查申森，卫银忠．220 kV变电站限流电抗器配置方案研究 ［J］．电力勘测设计，2013，(1):60－64．

［12］李津，黄维晨．高温超导限流电抗器亮相天津 ［N］．国家电网报，2011－12－7(2)．

［13］王彦文，赵铁英，马枫林．煤矿下井电缆短路故障限流方法研究［J］．煤炭科学技术，2012，40(6):81－85．

［14］赵铁英．基于SSCB的煤矿下井电缆快速故障限流器研究［D］．北京:中国矿业大学，2013．

［15］刘洪顺，李庆民，娄杰，等．电感型FCL对断路器恢复电压上升率的影响 ［J］．电工技术学报，2007，22(12):84－91．

［16］夏道止．电力系统分析 ［M］．北京:中国电力出版社，2004．

［17］王彦文，赵铁英．含电感型故障限流器的煤矿电网短路暂态过程研究 ［J］．煤炭学报，2013，38(7):1293－1298．

［18］ Zhao T Y，Wang Y W．Current limiting reactor’s reactance value selection based on short-circuit transient analysis［J］．Advanced Materrals Research，2013，722:223－227．

Research on Reactor Parameters Calculation for Current Limiting in Different Access

Zhao Tieying，Liu Junling
(a．School of Electrical and Engineering and Automation，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China;b．School of Energy Science and Egineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China)

Current limiting reactor has higher resistance value，so it is widely used in power system in order to limit short circuit current．Current limiting reactor is involved in whole process in short circuit fault，which affects short circuit current level directly．Through calculating reactor impedance the system needed，we can choose current limiting reactor with proper impedance value and maintain short-circuit current at an acceptable range during the fault．In accordance with two different access ways connecting to the electrical power system，this paper analyzed short circuit transient process of a distributing network with current limiting reactor，focused on current changing law in short circuit process，combined with the maximum current system can sustain in fault，concluded a method to calculate current limiting reactor resistance needed．The results show that the impedance needed to connect to the system is different in different access ways．In fault current limiter access way，limiting reactor will connect to the system shortly after the fault occurs，so we need to choose a higher impedance reactor in order to get the same current limiting effect．

power system;short circuit;current limiting reactor;access way

TM47

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.03.008

2014－11－30。

河南理工大学博士基金 (60807/008)。

赵铁英 (1977-)，女，讲师，研究方向是电力系统状态监控及故障限流技术，E-mail:hnjzzty@163．com。