桥式故障限流器在直流输电系统故障限流技术中的应用

2022-05-13殷培峰闫海兰

兰州石化职业技术学院学报 2022年1期

殷培峰,闫海兰

(兰州石化职业技术大学电子电气工程学院，甘肃兰州 730060)

随着我国直流输电工程的发展，直流输电技术以其远距离、大容量、低耗能的经济优势得到广泛应用。目前我国在直流发电装机、发电量、电压等级、电网规模均居世界前列。但这种交直流混联大电网也给电力系统的故障暂态过程和继电保护带来了新的问题[1]，由于直流故障阻尼小、危害大，电网中任何一点故障，都可能造成多个换流器闭锁而导致大面积停运。且直流电网故障发展速度极快，要求在几毫秒甚至更短时间内，实现故障线路的快速可靠定位。同时直流故障无自然过零点，使得直流故障隔离存在熄弧困难的问题。如采用模块化多电平换流器的直流电网中，当直流线路上发生故障时，换流站桥臂电流和直流线路电流迅速上升，导致换流站在保护和断路器动作期间被快速闭锁，造成直流输电系统停电[2]。因此，必须采取有效措施限制直流电网故障电流，确保直流输电系统供电的可靠性和安全性。

1 直流输电系统故障类型分析

采用模块化多电平换流器(MMC)的直流输电系统中，其结构主要由整流测交流系统、换流变压器、换流器、交流和直流滤波器、平波电抗器、直流输电线路、逆变侧交流系统等组成[3]。如图1所示。

图1 直流输电系统故障分布图

直流输电系统的继电保护范围，可划分为区内保护和区外保护。区内保护是指本级直流输电线路的全长。区外保护是指对极线路、线路两侧的整流和逆变交流系统、平波电抗器、直流滤波器、换流器等。现以正极直流输电线路上的保护为例，对直流输电系统继电保护故障类型分析。图1中与保护特征量动态分析相关的故障类型分为六种，分别是d1为本极限路上不同位置发生的接地故障；d2为对级线路上不同位置发生的接地故障；d3为本极线路整流侧平波电抗器阀侧的接地故障；d4为本极线路逆变侧平波电抗器阀侧的接地故障；d5为整流侧交流母线三相短路故障；d6为逆变侧交流母线三相短路故障。无论发生阀短路、线路接地、相间短路，都会产生严重过电流[4]，危害直流输电系统的稳定运行。

2 采用桥式故障限流器进行限流的机理分析

如图2所示，桥式故障限流器由二极管H桥、直流电抗器、偏置电源的串联支路构成。

图2 正常运行期间电流流通路径

为正常运行期间电流流通路径，其中二极管H桥由四个串联二极管组D1～D4构成。为了降低故障限流器的功率损耗，直流电抗器LB采用超导绕组，直流电抗器LB与偏置电源Vdc支路连接在D1、D3的共阴极点和D2、D4的共阳极之间，形成超导直流限流器。

直流偏置电源Vdc提供偏置电流Ib为：Ib=vdc/(Rl+RD) ,公式中，RL为直流电抗器的通态电阻，当采用超导线圈时，RL可以忽略不计。RD为每个串联二极管组D1～D4的通态电阻。在正常运行期间，依据KCL定律，如果D1～D4全部导通，则四个二极管桥臂的电流可以表示为：iDl=iD4=(Ib+idc/2 ，iD2=iD3=(Ib-Idc)/2 。当直流偏置电流Ib大于直流线路电流的绝对值|idc| 时，电流必然是正的。因此D1～D4可保持保持导通。同时流经直流电抗器的电流将保持为常数Ib。此时，对于直流线路，直流电抗器相当于被旁路，因此不会对直流电网的正常运行产生不利影响[5]。

当直流线路故障发生后，故障电流快速上升[6]，如图3所示。在idc大于零的情况下，直流线路的故障电流idc超过直流偏置电流Ib，iD2=iD3=(Ib-idc)/2 变为负值，使D2和D3自动关断，直流电抗器LB快速自动接入故障电路中，起到故障限流的作用。

图3 故障限流期间电流流通路径idc>0

当idc小于零时，|idc| 超过Ib时，iD1=iD4=(Ib+idc)/2 变为负值，D1和D4自动关断，使直流电抗器自动接入故障回路中，起到故障限流作用。如图4所示。

图4 故障限流期间电流流通路径idc<0

通过以上分析，桥式故障限流器在直流电网中可以实现双向自动限流[7]，只要合理地设置直流偏置电流Ib，直流电抗器在直流线路故障发生后，可以很快的接入到故障回路中，发挥故障限流作用，从而满足直流故障限流快速响应的要求。

3 使用桥式故障限流器进行直流故障限流的优势

采用桥式故障限流器与直接安装直流电抗器的方法相比，桥式故障限流器避免了对直流输电系统暂态响应速度、稳定性和直流断路器隔离速度的影响[8]，其优势表现在以下几个方面：第一在直流输电系统正常运行时，桥式故障限流器中直流电抗器相对于直流线路而言，处于旁路状态，不会对系统正常运行产生不利影响[9]；第二直流故障发生后，桥式限流器中的直流电抗器可以自动快速的接入故障回路中，起到限流作用；第三采用桥式限流器限流时，使直流断路器故障隔离速度大大加快；第四直流断路器断开后，直流电抗器将再次被自动快速地从故障回路中旁路出去[10]。与直接安装直流电抗器想比，故障电流清除时间将大大缩短。