兼顾最大短路电流抑制和运行损耗的限流技术

2022-11-23刘健刘飞张志华

电测与仪表 2022年11期

刘健，刘飞，张志华

(1.陕西电力科学研究院，西安 710100； 2.西安理工大学自动化与信息工程学院，西安 710048)

0 引言

我国变压器采取“大容量、少布点”规划设计理念，随着电网互联的不断密切，短路电流超标问题日益严重，不仅威胁到变压器、断路器、母线和其他电气设备的安全，往往也会引起电压暂降问题，影响敏感负荷的用电连续性。为保障电网的安全、可靠与稳定运行，须采取经济有效的短路电流限制措施。

针对短路电流超标的问题，目前已取得大量研究成果。文献[1]介绍了串联谐振限流器、饱和铁芯限流器、超导限流器和固态限流器的发展现状及技术特点，并分析了影响限流器进入电力市场的制约因素。文献[2-9]分别介绍了串联谐振限流器[2-3]、饱和铁芯限流器[4-5]、超导限流器[6-7]和固态限流器[8-9]的相关原理与应用。文献[10]论述了一种由电力电子器件和电容、电感组成的具有串补功能的故障电流限制装置，在故障时快速限制短路电流，在系统正常运行时也可提高传输能力，从故障限流的角度看仍是一种固态限流器。文献[11]论述了超导限流器的参数优化问题。文献[12]介绍了相比现有的限流运行措施，从长远来看通过直流背靠背异步互联限制短路电流是可行的解决办法。

应用快速开关与限流电抗器配合实现无损限流是一种有效的短路电流抑制手段，已经取得了大量研究和应用成果。文献[13]给出了一种新型的基于快速开关的故障电流限制器，相比较串联谐振型限流器和固态限流器，其在限流特性、经济性和可靠性等方面具有结构简单、响应速度快和无运行损耗的优势。文献[14]研究了短路故障的快速识别技术和短路电流过零点预测算法的改进，将该技术应用到快速开关型故障限流器的开断中，提高开关的动作响应时间，并且提高开关使用寿命和开断能力。

但是，基于快速开关与限流电抗器配合的无损限流装置在应用中仍存在一些问题，文献[15]指出的这类装置仍不能确保在所有故障相角下都能实现“首波开断”，从而不能有效抑制短路电流最大值(有时出现在第一个波峰、有时出现在第二个波峰)对设备的冲击伤害。

为了解决常规无损限流器在10 kV配电网中不能保证所有故障相角下都能有效抑制短路电流第一波峰，从而不能有效防护短路电流冲击伤害的问题，本文提出了一种快速开关仅与一定比例限流电抗器并联的、兼顾最大短路电流抑制和运行损耗的轻损限流技术，该限流技术既能解决常规无损限流器存在问题，又能在一定程度上使电网在正常运行时产生附加损耗最小。

为了研究轻损限流技术的限流特性，本文展开了以下几个方面研究：首先介绍常规无损限流器和轻损限流器的基本结构和工作原理，提出了轻损限流器中限流电抗器与快速开关并联部分的最佳比例范围的方法，以及利用仿真软件PSCAD建立仿真模型；然后通过典型案例对比分析了发生三相相间短路故障和两相相间短路故障后，常规无损限流器和轻损限流器分别应用自然过零熄弧和人工过零熄弧技术的限流特性；最后对得到的仿真结果进行总结分析。

1 基本原理

1.1 常规无损限流器

常规无损限流器由限流电抗器L和机械快速开关S并联以及控制器C构成，如图1(a)所示。

图1 常规无损限流器(a)和轻损限流器(b)的构成

正常运行时，开关S处于闭合状态，将电抗器L旁路，因此无附加损耗和电压降；发生短路故障后，控制器C迅速检测到故障后控制开关S快速断开，将电抗器L投入实现限流。

为了迅速检测出故障，控制器C不能采取继电保护常用的傅氏算法，而需采取更快速的检测算法[16]，一般可以在Δt1=2 ms～3 ms之内检测出故障。

机械快速开关一般采用斥力操动机构，其动作时间一般可在Δt2=0.8 ms～1.5 ms之内完成触头分断，但是由于分断时存在电弧，在电流过零点才能熄弧实现真正意义的分断[17]。

综上所述，从短路故障发生到开关S真正分断使限流电抗器L投入的延时时间ΔT为:

ΔT=Δt1+Δt2+Δt3

(1)

式中 Δt3为触头分断到电流过零点的时间。Δt1和Δt2主要取决于控制器和开关的性能，而Δt3却与故障相角有关，在不利的故障相角下有可能在开关S真正分断使限流电抗器L投入之前，已经经历了短路电流的峰值，对设备已经造成了损害。

上述熄弧过程称为“自然过零熄弧”，一些制造企业采用电力电子装置在开关S的触头分断后立即制造人工电流过零点迫使电弧熄灭，实现限流电抗器L投入，这称为“人工过零熄弧”。文献[18]论述了三种主流的人工过零技术，即：自激振荡法、预充电振荡法和耦合电感引入反向电流，本文不再赘述。但是，上述措施只能将Δt3近似消除，而不能减少Δt1和Δt2，因此仍存在在不利的故障相角下有可能无法抑制短路电流峰值的问题。为了解决上述问题，提出一种轻损限流技术。

1.2 轻损限流器

轻损限流器是在常规无损限流器基础上，设计一个抽头将电抗器一分为二(未与快速开关并联部分记为L1，与快速开关并联部分记为L2)，机械快速开关S仅与L2并联，如图1(b)所示。

发生短路故障后，L1在L2投入之前始终发挥限流作用，待L2投入后与L1串联实现更深度限流。

由于L1能够起到抑制不利故障相角下流过的短路电流的峰值，避免了短路故障发生后，快速开关未能在短路电流第一个波峰到达之前断开，使短路电流严重超标的问题，从而减轻冲击电流对设备造成的伤害。

但是，在正常运行时，由于L1仍串联在线路中，会产生一定的损耗和电压降。

在实际中，需要在L1的限流作用与引起的附加损耗和电压降问题之间折中，寻找L1的最佳比例。

1.3 L1的最佳比例

1.3.1 评价指标

为了获得L1的最佳比例ψopt，需要引入一组评价指标：

1)最大短路电流峰值。

最大短路电流峰值IPP是指：故障时在不利故障相角下，流过各个相别的短路电流峰值的最大值。

(2)超过允许最大短路电流峰值的持续时间。

超过允许最大短路电流峰值的持续时间TOC是指：故障时在不利故障相角下，流过各个相别的短路电流峰值超过允许最大短路电流峰值的最长持续时间。

假设期望将短路电流的有效值限制在Imax,e以下，则故障时允许最大短路电流峰值ID,PP为[19]:

(2)

式中 KM=1.8为冲击系数；Imax,e为线路所能承受的最大短路电流有效值。

(3)附加损耗。

附加损耗ΔPL1是指：正常运行时，在额定电流下，因电抗器L1产生的损耗。

(3)

式中Ie为额定电流的有效值；R1为电抗器L1中电阻。

(4)附加电压降。

附加电压降ΔVL1是指：正常运行时，在额定电流下，因电抗器L1产生的电压降。

1.3.2 寻优方法

首先，根据所期望短路电流的有效值Imax,e和电源侧的等效阻抗值ZS，计算出所需要的限流电抗器L的等效阻抗值ZL(其中L=L1+L2，电抗器中的电阻RL与电抗XL按RL/XL=0.1设置)。

以L1的不同占比为横坐标，分别按式(4)～式(8)对IPP、TOC、ΔPL1和ΔVL1进行归一化处理，并作出I′PP、T′OC、ΔP′L1和V′L1随L1占比变化曲线。

(4)

(5)

(6)

(7)

V′L1=1-ΔV′L1

(8)

一般情况下，随L1占比的增大，V′L1略有减小，I′PP和T′OC则迅速降低，而ΔP′L1呈近似线性上升趋势。综合考虑各项评价指标，I′PP和T′OC曲线与ΔP′L1曲线交叉的部分，一般是L1所占比例的最佳取值范围。

最大短路电流峰值IPP和超过允许最大短路电流峰值的持续时间TOC难以解析地表达出来，需基于仿真软件PSCAD平台进行数字仿真获得。

附加损耗ΔPL1和附加电压降ΔVL1可以解析计算得出。

1.3.3 基于PSCAD的数字仿真

基于仿真软件PSCAD平台，建立了如图2所示仿真模型，对不同短路故障情形进行数字仿真。

图2 轻损限流仿真电路

在图2中：将电源侧等效为一个无穷大功率系统，其阻抗为ZS；P和Q分别为负荷侧有功功率和无功功率；F表示短路故障；电抗器L1的阻抗为ZL1，电抗器L2的阻抗为ZL2；控制器C的仿真电路如图3所示(以A相为例)。

图3 控制器C的仿真电路局部(A相)

仿真时三相开关采用独立分断控制，仅以控制开关S的A相触头分断过程为例加以说明：

开关S的B相和C相触头的分断过程控制与A相类似，不再赘述。

2 典型案例分析

某段10 kV母线的电源侧等效阻抗ZS为(0.014548+j0.18272) Ω，10 kV最大的短路电流峰值IPP超标达到76.998 kA。欲将稳态短路电流有效值Imax,e限制在16 kA以下(相应的允许最大的短路电流峰值为40.729 kA)，则电抗限流器ZL的等效阻抗应为(0.017662+j0.17662)Ω。此例中Δt1+Δt2=0.004 s。

拟在母线出线处串联安装由限流电抗器和机械快速开关并联的限流装置，研究在最不利位置处发生不同相间短路故障的限流场景。首先分析安装常规无损限流器时的应用效果。

2.1 配置常规无损限流器的应用效果

对于开关S采取自然过零熄弧的情形，在发生三相相间短路故障时，配置常规无损限流器和无限流措施时，短路电流峰值与故障相角(A相)的关系如图4所示。

图4 三相相间短路的电流峰值与故障相角的关系

由图4可见，应用常规无损限流器对短路电流峰值具有抑制作用，但是当故障相角为46.8°、104.4°和165.6°附近，对短路电流峰值的抑制作用并不明显，仍然远远超过所希望水平。这主要是由于故障发生后，故障检测Δt1和开关动作Δt2都需要一定延时，并且需在电流过零点才能真正开断，造成冲击电流峰值不能及时抑制。在Δt1+Δt2=0.004 s 的情况下，A相46.8°、104.4°和165.6°为最不利故障相角，分别为引起C相、B相和A相的电流最大。

在发生两相相间短路故障时，也存在有类似的情况，如图5所示。