磁元件型故障限流器电网接入技术研究

郄朝辉，朱炳铨，崔晓丹，李兆伟，赵一琰，张子龙，武 迪

（1.南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司），南京 211106；2.国网浙江省电力有限公司，杭州 310007；3.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014）

0 引言

随着特高压交直流电网的不断发展，电力系统输送容量剧增，网架结构愈加复杂。电网发展呈现出装机容量逐渐增大和互联电网逐渐扩大的趋势，造成系统中短路电流增长，部分地区短路电流超过了断路器的遮断容量，且上升趋势不断增加，严重威胁到系统的安全稳定运行。

传统的短路电流限制技术主要从系统结构、系统运行方式和设备本体上采取措施[1-3]，包括：提升电压等级，电网分层、分区运行；变电站母线分段运行；改变系统运行方式，防止母线容量集中；采用高阻抗变压器及发电机；提高断路器遮断容量等方式。实际电网运行时，一般组合使用以上多种短路电流限制方式，以期达到最优效果。

上述短路电流限制技术多为被动型的限流措施，其缺点是破坏电网结构，增加稳态运行时系统阻抗，在复杂大电网中适用性差、运行成本高。以浙江电网为例，在电网安全稳定约束下，断路器遮断容量的提高受成本和技术约束，部分地区采取传统的限流措施已经难以有效降低短路故障电流。

近年来出现了一种较为实用的磁元件型故障限流器[4-6]（以下简称“故障限流器”），在电网正常运行期间呈现小电抗特性，在电网发生故障后，转变为大电抗从而有效降低短路电流，故障消失后快速呈现小电抗。依据磁路特性构建故障限流器是一种主动的短路电流限制措施，通过正常运行和短路故障时的阻抗特性抑制短路电流，具有比传统故障限流技术影响小、效果精准的优势。

为推进故障限流器的实际电网应用和接入技术，通过结构和原理特性分析，研究故障限流器的响应特性和分析模型。通过建立单机无穷大系统研究和分析故障限流器的限流原理及其对电网安全稳定性的影响，以浙江电网为例，研究故障限流器对输电断面输送功率和接入方案对电网短路电流抑制效果，研究故障电流限制器的电网接入技术。

1 磁元件型故障限流器特性

1.1 磁元件型故障限流器原理

磁元件型故障限流器主要分为磁通约束型和磁饱和开关型，2种故障限流器串联接入到电网，通过磁通的控制实现响应电抗的快速投入和退出。

磁通约束型故障限流器结构如图1所示，磁通约束型故障限流器3个绕组绕在同一铁心上。各绕组的匝数和绕向都相同，分别串联在电力系统的三相。当电网正常运行时，三相电流平衡运行，零序电流的和为零，铁心内的磁通量为零，限流装置对电网呈现非常小的阻抗。在电网发生接地短路故障时，三相电流失去平衡，故障电流被零序电抗和故障电流变化率所限制，电抗值突然增大。

图1 磁通约束型故障限流器限流原理

磁饱和开关型单相限流原理如图2所示，磁饱和开关型故障限流器即利用铁心磁路特性，正常工况下，限流绕组工作在饱和状态，输出低阻抗以降低对系统运行的影响。故障工况下，限流绕组工作在去饱和状态以实现高阻抗限流的目的。磁饱和开关型故障限流器通过3个单相限流结构实现电网故障电流限制。

图2 磁饱和开关型故障限流器单相限流原理

1.2 磁元件型故障限流器响应特性

由故障限流器的结构及特性可知，2种故障限流器在电网稳态状态下表现出较低的阻抗，在电网故障情况下线路电流增加时表现为较大阻抗，可限制短路电流。当继电保护装置将故障切除后，故障电流为零，限流器呈现较低阻抗。因此，可根据故障限流器的响应特性进行统一外特性建模，用于电网接入技术研究和分析。

如图3所示，根据故障限流器时间响应特性，整个响应过程划分为5个阶段。

（1）正常阶段：故障限流器对外呈现较低阻抗，不影响电网正常运行。

（2）检测阶段：t0时电网发生故障，故障限流器对故障电流进行检测，确认发生故障。

（3）投入阶段：故障限流器检测到故障后，t1时刻启动阻抗投入，投入阻抗不断增大。

（4）持续阶段：t2时刻故障限流器设计阻抗完全投入，并持续投入阻抗。

（5）退出阶段：t3时刻故障被继电保护切除，故障电流消失，故障限流器逐步退出阻抗，直至t4时刻投入阻抗恢复，并进入下一个正常阶段。

图3 磁元件型故障限流器动作时序

不同类型故障限流器的响应特性存在差异，磁通约束型故障限流器无需检测故障电流，检测阶段和投入阶段时间延迟小于1 ms。磁饱和开关型故障限流器需要检测故障电流并需要去磁，检测和投入共需要30～40 ms时间，投入速度慢于磁通约束型。

2 磁元件型故障限流器电网接入研究

2.1 故障电流限制研究

不同类型故障限流器响应特性和阻抗投入大小不同，通过故障限流器故障电流限制过程分析，研究不同类型故障限流器的故障电流限制效果，支撑故障限流器电网接入研究。

如图4所示，建立单机无穷大系统，分析故障限流器故障电流限制原理。根据结构原理特性，将故障限流器串联在系统中。

对于图4所示的三相电路，短路发生前，电路处于稳态，此时故障限流器对外呈现小阻抗，其a相电流表达式为：

图4 无限大功率电源供电的三相电路突然短路

式中：Um为电源幅值；R，L和R′，L′分别为系统被短路点分割的两侧电阻和电抗。

当在f点发生三相短路时，故障限流器电感为Lfcl，此时电网被分为2个独立的电路。左边的回路即短路回路仍旧与电源连接，而右边的回路则变为没有电源的回路。在右边回路中，电流将从短路发生瞬间的值不断衰减，一直衰减到磁场中储存的能量全部变为电阻中所消耗的热能，电流即衰减为零。在与电源相连的短路回路中，不布置故障限流器的阻抗值变为（R+jωL），布置故障限流器的阻抗变化为（R+jωL+jωLfcl）， 阻抗增加。因此，布置故障限流器后稳态故障电流值必将变小。假定在t=0 s时发生短路，由于电路仍为对称，a相电流的瞬时值应满足如下微分方程：

式中：Lfcl为投入的故障限流器电抗。

常微分方程的特解即为强制分量稳态短路电流：Im为稳态短路电流的幅值。

式中： Z 为短路回路每相阻抗（R+jωL+jωLfcl）的模值；φ为稳态短路电流和电源电压间的相角（arc-

由于故障限流器阻抗的投入，短路稳态电流大幅下降。式（4）的通解对应齐次方程的解：

齐次方程的解即短路电流的自由分量，又称直流分量或非周期分量，它按照指数规律衰减，即：

式中：C为积分常数，其值为直流分量的初始值；Ta为衰减时间常数，是特征方程p（L+Lfcl）+R的根则a相短路电流的表达式为：

由于在0 s时电流不能发突变，因此0 s时电流为： ia（0）=Imsin（a-φ）+C=Im|0|sin（a-φ|0|）。 故有：

b相和c相短路电流可使用相同方法得到。由式（7）可知，故障限流器在检测阶段和投入阶段用时越少，能越早抑制短路电流周期分量，则周期分量抑制效果越好。非周期分量衰减速度相同，初始值包含交流分量和直流衰减分量，故障限流器投入越快，则直流衰减分量越小。交流分量幅值不变，瞬时值与短路时相位和系统阻抗相关。因此，总体而言，故障限流器投入越快，对抑制电流越有利。

2.2 对电网安全稳定影响

故障限流器主要用于抑制故障电流，解决短路电流超标问题，提高断路器故障切除时动作裕度。一般电网发生短路电流超标时，网架结构较强，系统主要是热稳定问题。电网网架结构较弱时，短路电流一般不会超过断路器遮断电流[7-15]。因此，使用故障限流器抑制短路电流的场景，电网结构较强，电网安全稳定性较好。

以简单的单机无穷大系统为例，分析磁通约束型故障限流器对电力系统安全稳定性的影响。如图5所示，正常运行时发电机经升压变压器和双回线路向无限大系统送电，并在其中一回线上加装故障限流器。

图5 加装故障限流器的单机无穷大系统

当其中一回线发生三线短路故障时，故障线路上的故障限流器由于受到短路冲击变为一个大的电抗，系统间的总电抗及发电机发出的电磁功率表达式分别为：

将X2∑对X进行求导，得出：

可以看出，对于理想的单机无穷大系统，X2∑对X为单调递减函数。因此，对于单机无穷大系统，不管在输电线路的任何位置发生故障，只要投入故障限流器，都能使总转移阻抗X2∑减小。

如图6所示，发电机的功角特征曲线中P1为正常运行曲线，P3为故障切除后的曲线，P2为不投入故障限流器的曲线，P2t为投入故障限流器的曲线。正常运行时，发电机向无穷大系统输送的功率为P0，此时原动机的输入功率为Pt=P0，工作点在a点，对应功角为δ0；发生短路瞬间，发电机功角特征曲线变为P2，工作点转移到b，此时发电机转子加速，考虑到故障限流器投入可能的延时，当工作点转移到c点时，功角特性曲线变为P2t，工作点变为d点，发电机继续加速到达e点；此时继电保护动作，故障被切除，功角特性曲线变为P3，工作点到g点，电磁功率增加，发电机转子受到制动而开始减速，但是仍大于零，因此功角继续增大，工作点向h点移动。到达h点后，转子速度减速至同步转速，功角到达最大值，由于功率平衡还未恢复，所以不能在h点建立同步运行的稳态。发电机的转子受减速性不平衡转矩制动，转速继续下降，功角开始减小。如果不计能量损失，工作点将不断来回变动，考虑到震荡过程中的阻尼，震荡将逐步衰弱，最终稳定在某一点。在故障发生到故障切除这段时间里，发电机由于功率过剩，转子加速。因此，故障限流器的投入实质上减少了系统的加速面积S3，使转子功角摇摆的幅值减少。因此，故障限流器的投入对电网暂态稳定性产生积极作用。

图6 投入故障限流器后功角特征曲线

选取实际电网数据，仿真计算故障限流器对电网安全稳定性影响。如图7所示，选取福建—浙江输电断面：榕城—莲都双回线、宁德—金华双回线共4回线路，输电断面布置故障限流器，仿真分析故障限流器投入后对电网输电断面影响。

图7 福建—浙江输电断面

结果如表1所示，投入故障限流器（20 Ω），在断面关键约束故障下，电网断面极限输电能力有微小提升，2类故障限流器差异小。因此，在浙福断面布置故障限流器对输电断面极限功率结果表明，故障限流器对电网安全稳定性影响较小。

表1 故障限流器对输电断面功率影响

2.3 磁元件型故障限流器接入方案

以浙江电网为例，研究故障限流器（30 Ω）不同接入方案对故障电流限制影响。仿真结果表明，浙江电网乔司站短路电流较大，断路器开关裕度较小。因此，在乔司站附近位置布置故障限流器，通过对故障限流器不同接入方案进行仿真，比较短路时附近母线和线路分支电流抑制效果，研究故障限流器电网接入方案。

如表2所示，故障限流器布置在短路时分支电流最大位置（乔涌线）的总体抑制效果最明显，而布置在变压器高压侧、中压侧等位置，对变电站短路电流、超标线路短路电流水平抑制较弱。主要原因为系统短路时分支电流较小时，故障限流器对故障电流抑制效果总体受限，因此对整体短路电流抑制效果不明显。

表2 故障限流器不同位置对短路电流影响

3 结语

通过对磁通约束型和磁饱和开关型2类故障限流器的结构特性进行分析，研究了磁元件型故障限流器的时间响应特性。

建立单机无穷大系统，研究磁元件型故障限流器的限流原理、不同类型故障限流器的电流抑制效果和磁元件型故障限流器对电网安全稳定性的影响。故障限流器投入阻抗越大，对抑制故障电流越有利；故障限流器响应速度越快，对抑制故障电流越有利。故障限流器对电网安全稳定性总体有利，通过在实际浙福断面投入故障限流器，仿真得出故障限流器提升电网输电断面功率较小，对电网安全稳定性影响较小。通过浙江电网故障限流器不同接入方案的对比研究，分析得出在短路电流超标最严重处布置故障限流器对电网短路电流限制最有利。