一种基于快速开关的新型故障限流器研究

2020-06-07马莉黄欣钱勇吴玫蓉

宁夏电力 2020年1期

马莉，黄欣，钱勇，吴玫蓉

(1.国网宁夏电力有限公司电力科学研究院，宁夏银川 750011；2.华北电力大学，河北保定 071003；3.国网宁夏电力有限公司检修公司，宁夏银川 750011)

近年来，电网规模的持续扩张以及区域电网互联程度的逐渐增强，使系统短路故障电流水平急剧增长，部分地区电网的短路电流水平已经达到规定允许的最大值，并出现超标的趋势[1-3]。增大的短路电流不但大幅度增加了设备成本和选择配置的困难程度，而且使系统安全稳定运行受到严重威胁，如变压器电力设备受到较大短路电流冲击后安全性遭到破坏[4]；变电站因短路电流越限被迫将母线并列运行方式转换为分列运行[5]，导致系统供电运行可靠性大幅下降；另外，系统短路故障引起的母线电压下降波及系统的电能质量也受到了影响[6]，因此，日益增长的短路电流已成为当前电网亟待解决的重要问题之一[7-9]。

传统限制短路电流措施如分层分区、分列母线等，限流效果明显，但建设工期长、投资大且难以保证电网运行可靠性及网络完整性[10-11]。限流电抗器原理简单易实施，但系统运行时会增加无功损耗导致系统稳定性受影响下降[12-13]。传统限流技术在限流同时会对电网产生一些不利影响，采用故障限流器可解决上述矛盾。快速开关型故障限流器是近年来提出的一种新型故障限流装置[14-15]，在正常运行时损耗接近于零，对电网无不利影响，故障时可迅速断开投入限流电抗，使故障电流限至断路器额定容量以下；故障切除后快速开关迅速关合保障电网运行稳定性。该类型故障限流器在同等限流效果下投资更小[16-17]。本文介绍了快速开关型故障限流器(fast switch fault current limiter ，FSFCL)拓扑结构、原理及关键技术；研究FSFCL在系统中的限流效果，利用MATLAB/Simulink仿真软件进行验证，采用PSASP对FSFCL加入后的暂态稳定性进行了分析。

1 FSFCL原理结构分析

1.1 FSFCL拓扑结构

FSFCL的拓扑结构(见图1)主要由智能快速开关K、ZNO保护、旁路开关KM、CT、隔离变压器等元件组成。各元件功能如下：

(1)智能快速开关K。具有快速分合闸特性，系统正常运行时短接限流电抗器，使其在系统中的损耗接近为零，故障时，快速投入电抗器限制短路电流。

(2)限流电抗器L。正常运行状态下被短接，故障发生后快速被串入系统限流。

(3)金属氧化物避雷器ZNO。常用于过电压保护元件，K开断瞬间电流转移容易产生过电压，ZNO可保护限流装置的其它元件。

(4)隔离变压器。其后端接整流供电回路，为二次回路供电。

(5)旁路开关KM。当开关K发生故障不能快速分闸，则控制KM闭合，承载线路工作电流。

(6)洛克特种线圈CT。用来获取母线的电流值从而监测短路电流。

图1C1为分压电容，C2为高压耦合电容。

图1 FSFCL拓扑结构

1.2 FSFCL限流原理

快速开关的微损耗限流装置在电网中正常工作时，隔离变压器从分压电容器组两端取电，为控制器和电源盒供电。正常运行状态下的工作电流流过闭合的智能快速开关K，被短接的限流电抗器产生的功率损耗接近于零。发生故障后系统短路电流突增，控制器收到洛克CT传来的系统电流大于设定值的短路信号后可快速精准地预测出电流过零点时刻，并将该信息传送给智能快速开关K分闸，收到信号后的K在靠近过零点时刻分闸，电抗器L被串入到线路中。系统故障切除后，控制器监测到系统电流值恢复到临界值以下，及时向K传递合闸信息，L退出线路的同时，系统恢复正常运行状态[18]。当快速开关故障不能分合闸动作，控制器会立即控制接触开关KM合闸。

2 FSFCL的关键技术

2.1 智能快速开关

快速开关可在20 ms内开断，其结构如图2所示，主要由真空灭弧室、永磁保持机构以及电磁斥力机构等部件组成。其工作原理为分闸开关收到断路器分闸命令后，分闸储能元件立即向分闸线圈放电产生磁场感应出铜盘的涡流磁场，涡流磁场和原始磁场产生反向斥力，从而使铜盘向下运动，通过传动杆推动断路器动触头向下运动完成分闸操作[19]。分闸分散度≤0.1 ms；合闸分散度≤0.2 ms。

图2 快速开关机构原理

2.2 过零点分相开断

FSFCL采用的短路电流过零点分相开断技术可实现该动作要求，过程包括：短路电流快速识别—过零点预测—精确相控开断。其中，短路电流快速识别通过电流瞬时值和变化率来判断，控制器依据预测出的短路电流有效值在故障发生后的数毫秒内准确预测到短路电流过零时刻[20-21]。快速开关过零开断限流如图3所示，t1时刻发生短路故障，控制器接收到短路电流增大的信号并通过算法准确预测出各相电流过零点时刻，t2时刻(电流过零点前临界时间)快速真空开关触头分离，t3时刻(电流过零时刻)灭弧；短路电流快速转移到电抗器L限流[15]。

图3 短路电流过零开断限流

3 FSFCL限流效果

3.1 理论分析

(a)短路发生瞬间电路

(b)限流器接入系统后电路

(c)等效短路限流效果

未接入FSFCL前系统的的短路电流大小Id为

(1)

(2)

限流比为

(3)

限流深度：

(4)

限流电抗接入系统进行限流，由于快速开关两端承受电压大小受限，单个FSFCL的限流电抗不能过大，在高电压等级系统限流时，单组限流器的限流深度有限，因此，限流装置在高电压等级应用时，通常采用多级串联的形式。

3.2 限流效果

本文采用Matlab/Simulink软件仿真系统线路发生短路故障时FSFCL的限流效果，以三相短路故障为例，研究在安装FSFCL前后线路的短路电流和电压变化，110 kV系统三相短路故障仿真测试系统如图5所示，在Matlab/Simulink仿真接线如图6所示。系统参数如下描述。

FSFCL电感：80.86 mH。

线路l1：x1=0.4 Ω/km，r2=0.08 Ω/km，长30 km。

图5 仿真系统电路

线路l2：x2=0.4 Ω/km，r2=0.08 Ω/km，长15 km。

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

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

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

负荷LD1：SLD1=3 MVA，cosφ=0.9。

负荷LD2：SLD2=10 MVA，cosφ=0.9。

负荷LD3：SLD3=5 MVA，cosφ=0.9。

在系统中设置0.3 s发生三相短路故障，仿真未接入任何限流措施、接入串抗及接入FSFCL后系统短路电流变化，仿真结果如图7所示。图7(a)中未接入任何限流措施时，系统的短路电流在0.3 s达到最高峰值3.67 kA，经过一段时间后达到稳态值2.0 kA。在仿真系统设置发生故障后的0.015 s 时刻FSFCL接入，其短路电流变化如图7(b)所示，短路电流在0.3 s达到的最高峰值为3.52 kA，随后稳定在1 kA左右，接入FSFCL后的短路电流限制效果接近50%。

图6 FSFCL限流模型

(b)接入FSFCL

(a)未接入任何限流措施

(b)接入FSFCL

发生故障后测得的T1二次侧电压变化情况如图8所示，图8(a)未接入任何限流措施时，发生短路故障，电压下降到38.2 kV；图8(b)接入FSFCL时，电压下降到62.7 kV，相对无限流措施，电压提升了64.13%。

4 FSFCL对系统暂态稳定性的影响

在电网中安装FSFCL后限流同时也会对系统暂态稳定性产生影响，因此，本文采用电力系统分析综合程序(PSASP)软件校验FSFCL投入后系统的功角稳定性。功角稳定性是系统受到大扰动后发电机功角曲线不失摆，且在第二摆后逐渐趋于稳定；系统受到的大扰动通常指短路、断线故障等。以宁夏330 kV线路安迎I线短路故障为例，校验FSFCL接入后系统暂态稳定性变化，PSASP稳定计算数学模型如下：

(1)发电机及其调节系统。

发电机稳定计算时数学模型选用综合程序中的模型3(按照国家电网安全稳定计算技术规范进行计算)，该模型不仅包含了Ed″、Eq″、Eq′的变化，并同时考虑了发电机励磁调节、调速系统对稳定性的影响。

(2)负荷模型。

发电厂的厂用电负荷按恒阻抗，电动机设置。

(3)动作时间。

FSFCL动作时间设置为15 ms，系统切除故障时间为0.1 s。

分别设置不同参考条件下系统发电机的功角稳定性，仿真结果如下：

(1)发电机组G1、G2、G3、G4的功角稳定特性。

以线路发生三相短路故障为例，图9为接近故障点发电机组G1、G2、G3、G4在安装FSFCL前后的功角变化，黑色曲线为安装FSFCL后的功角，剩余颜色均为安装前的功角变化曲线。由图可知，在安装FSFCL后系统发电机组依旧保持功角稳定，且安装FSFCL后的发电机组功角稳定性增加。

图9 安装FSFCL前后不同发电机组功角变化

(2)不同限流深度。

发生三相短路故障后，不同限流深度下，发电机G4功角曲线如图10所示，FSFCL的限流电抗越大，转子最大摇摆角越小。此时，由于发电机输出功率提高从而使加速面积减小，系统暂态稳定性升高。

图10 不同限流深度时G4功角变化

(3)不同故障切除时间。

图11为不同故障切除时间下的发电机功角变化，切除时间为60 ms时的功角最小，随着切除时间的增加，发电机功角逐渐增大，当切除时间达到200 ms时，未安装FSFCL的发电机组功角失去同步，安装FSFCL的发电机功角在经历了一段时间的振荡后收敛到了一个新的稳定状态。相比于未安装FSFCL，安装FSFCL后的系统极限切除角增加，系统暂态稳定性提升。