故障限流器對電力系統(tǒng)影響的機理分析

孫守文,哈恒旭,胡希同,杜 強

(1.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,山東 淄博 255091;2.電磁場與電器可靠性省部共建國家重點實驗室培育基地(河北工業(yè)大學(xué)),天津 300130)

近年來,電力系統(tǒng)容量逐年增加,電網(wǎng)短路電流水平也日益增大,因此對斷路器切斷電流的水平提出了更高的要求.近年來一些電網(wǎng)如廣東電網(wǎng)、華東電網(wǎng)、江蘇電網(wǎng)等,隨著系統(tǒng)容量的擴大和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的增強,高電壓等級線路的最大短路電流已接近或超過設(shè)備所能承受的限額,資料表明,三峽電站可能的最大短路電流將會達到300kA,而目前國際上生產(chǎn)的GIS(氣體絕緣組合設(shè)備,Gas Insulated Switchgear)僅為100kA的極限容量[1-3].因此,短路電流問題已經(jīng)非常嚴峻.當(dāng)前限制短路電流水平常采取調(diào)整電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、改變系統(tǒng)運行方式、安裝限流保護設(shè)備等3種方法來實現(xiàn)[4].其中在電力系統(tǒng)中串入限流電抗器,即故障限流器不失為解決短路電流水平的極佳方案之一.文獻[5-7]論述了目前故障限流器的分類及研究應(yīng)用現(xiàn)狀,指出隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,固態(tài)FCL技術(shù)愈來愈成熟,目前已在中低壓配電設(shè)備中獲得了應(yīng)用.文獻[8]利用EMTP仿真分析了FCL限制短路電流的水平.本文在介紹FCL暫態(tài)模型的基礎(chǔ)上,研究故障限流器對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性影響的機理,進而分析FCL投入后對高壓系統(tǒng)距離保護整定范圍的影響,并利用PSCAD-EMTDC仿真安裝故障限流后對電壓跌落的影響.

1 FCL對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響機理分析

1.1 FCL的簡單等效暫態(tài)模型

在系統(tǒng)正常運行時和系統(tǒng)發(fā)生短路故障且FCL沒有投切之前,FCL的等效電感接近于0,近乎對系統(tǒng)無影響;系統(tǒng)發(fā)生故障后很短時間,FCL迅速投入電感進行故障限流.在忽略FCL中各元件電磁暫態(tài)過程的前提下,其簡單等效暫態(tài)模型如圖1所示.系統(tǒng)正常運行和發(fā)生故障而FCL沒有動作之前,開關(guān)S一直處于閉合狀態(tài),系統(tǒng)電流通過短路開關(guān);故障發(fā)生后5 ms,開關(guān)S斷開,限流電感 L投入系統(tǒng)進行故障限流.

圖1 FCL的簡單等效暫態(tài)模型

1.2 故障限流器對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響

圖2為在兩條出線的始端分別安裝故障限流器的單電源輸電系統(tǒng),當(dāng)系統(tǒng)的出線口一處發(fā)生三相短路故障時,對系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性機理進行分析.

圖2 具有FCL的輸電系統(tǒng)

系統(tǒng)正常運行時:

系統(tǒng)故障,FCL未動作時:

系統(tǒng)故障,FCL動作后:

故障切除后:

由式(1)～(8)得

1.3 功角特性分析

由式(9)可得系統(tǒng)在不同情況下的功角關(guān)系,如圖3所示.圖3中,δ0為正常運行時功角;δf為故障發(fā)生時功角;δb為 FCL投入時功角;δc為故障切除時功角.FCL的投入可使發(fā)電機輸出的電磁功率增大、系統(tǒng)的加速面積減小,即減小了汽輪機轉(zhuǎn)子在系統(tǒng)故障期間的過剩動能積累,從而對系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生積極的影響,增大發(fā)電機的暫態(tài)穩(wěn)定裕度,降低失步的可能性.

圖3 具有FCL的系統(tǒng)功角曲線圖

正常運行時,發(fā)電機向無窮大系統(tǒng)輸送的有功功率為Pe=Pm,原動機的輸入功率為Pm,發(fā)電機穩(wěn)定工作點在a點,對應(yīng)的功角為δ0;發(fā)生三相短路瞬間,發(fā)電機的功率特性瞬時降為PII,工作點移動至b點;大約5ms后,工作點沿PII移動到c點,對應(yīng)的功角為δf,此時,FCL動作串入線路中,功率特性立即變?yōu)镻III,工作點也相應(yīng)地變化到d點;當(dāng)工作點沿PIII移動到e點時,故障被切除,功率特性立即變化為PIV,工作點也相應(yīng)變化到g點,對應(yīng)的功角為δf,此后工作點將沿 PIV向h點移動.由圖3可以看出,具有FCL的系統(tǒng)加速面積為Sabcdef;而沒有FCL的系統(tǒng),加速面積會沿著a-b-c-i-e-f-g-h的方向移動為Sabcief.這樣通過FCL的串入而減少了系統(tǒng)的加速面積,達到穩(wěn)定系統(tǒng)暫態(tài)的積極效果,這種做法與通過自動重合閘增加系統(tǒng)減速面積來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的做法類似,但相對于自動重合閘重合永久故障時會惡化系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的情況,FCL對提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性更為有效實用.

2 故障限流器對距離保護的影響

2.1 傳統(tǒng)距離保護的整定動作特性

當(dāng)線路發(fā)生短路故障時,FCL將自動串入故障回路來限制短路電流,這樣不僅破壞了原來系統(tǒng)距離保護的范圍,而且也降低了距離保護的靈敏度.

通常我們選擇方向圓特性的阻抗繼電器作為距離保護中的測量元件,未串入故障限流器時,方向圓阻抗繼電器的動作特性如圖4所示,其絕對值比較動作方程為

式中,Zm為測量阻抗;Zset為整定阻抗.線路串入限流器后,方向圓內(nèi)的Zm可能落入圓外,方向阻抗繼電器檢測不到圓內(nèi)的故障從而導(dǎo)致保護失靈.在FCL接入系統(tǒng)之前需要根據(jù)相關(guān)參數(shù)重新整定Zset,即距離保護I段修正后的整定值為

圖4 修正前的方向阻抗繼電器動作特性

2.2 修正后距離保護的整定動作特性

為使接入FCL后方向阻抗繼電器仍能迅速準確動作而不會使距離保護失靈,修正后Z＇set的方向阻抗特性如圖5所示.

3 故障限流器對電壓跌落的影響

3.1 電壓跌落

圖5 修正后的方向圓阻抗繼電器動作特性

隨著新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的不斷出現(xiàn),電能質(zhì)量已越來越被電力企業(yè)所關(guān)注.其中,電壓跌落問題已被認為是影響許多用電設(shè)備正常、安全運行的最主要的動態(tài)電能質(zhì)量問題.對于電壓跌落,國際電工委員會(International Electrotechnical Commission,IEC)所用術(shù)語為voltage dip;國際電力電子工程師協(xié)會(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)所用術(shù)語為 voltage sag.衡量電壓跌落程度的參數(shù)主要有2個:電壓跌落幅度和電壓跌落持續(xù)時間.IEEE對電壓驟降的定義為:供電電壓有效值快速下降到額定值的90%～10%,并持續(xù)0.5～30個工頻周波.

電壓跌落通常是由供電系統(tǒng)或用戶內(nèi)部的短路故障引起的,也可能是由于大電動機啟動不當(dāng)造成[9].例如,當(dāng)雷擊和絕緣子污閃引起系統(tǒng)短路時,保護動作將其切除,然后又自動重合閘成功.這時故障線路上的用戶將經(jīng)歷一次短路斷電,鄰近(同一供電母線)的其他用戶一般都會出現(xiàn)一次電壓暫降過程.如果重合閘不成功,故障線路再次斷電,則故障線路上的用戶可能長期(大于3min)斷電,而其他用戶將再經(jīng)歷一次電壓跌落過程.

3.2 FCL對電壓跌落影響的仿真驗證

短路故障引起的電壓跌落,嚴重影響電氣設(shè)備的正常運行,甚至造成巨大的經(jīng)濟損失.對于在電網(wǎng)母線與饋線連接處安裝故障限流器以此來限制短路電流和減少電壓跌落的研究在文獻[10-11]中已有介紹.下面利用PSCAD-EMTDC對FCL抑制電壓跌落的效果進行仿真分析.

PSCAD-EMTDC的仿真電路如圖6所示.圖6中,發(fā)電機的端電壓U 為10kV;系統(tǒng)內(nèi)電阻Rs為0.3Ψ;系統(tǒng)內(nèi)電感 Ls為 1mH;R1、L1、R2、L2分別為支路1、2的線路電阻和電感,其值分別為0.39Ψ和10mH;支路1的等效負荷為50Ψ;支路2的等效負荷為10Ψ;K1為模擬金屬接地的等小開關(guān);K2為限流器接入的快速開關(guān).

圖6 FCL對電壓暫降影響的仿真圖

仿真過程:t=0.1s時,開關(guān) K1動作,此時發(fā)生單相接地故障;t=0.15s時,K2動作,故障限流器投切.圖7,圖8分別為沒有故障限流器和有故障限流器時的母線端電壓的波形仿真圖.

圖7 無FCL時的母線端電壓波形

圖8 有FCL時的母線端電壓波形

由圖7、圖8可知,當(dāng)線路發(fā)生故障時,若無FCL,則母線端電壓幾乎為0;有FCL時,根據(jù)串入線路FCL電感值的不同,母線電壓發(fā)生不同程度的跌落,在一定范圍內(nèi),FCL電感值越大,抑制電壓跌落的效果越好.圖8中,母線電壓只是跌落一半.因此,FCL可以有效地抑制電壓跌落,從而減小電壓跌落對電力系統(tǒng)的影響.

4 結(jié)束語

通過在FCL暫態(tài)模型的基礎(chǔ)上進行的相關(guān)分析仿真驗證可知,故障限流器可以通過減少發(fā)電機的加速面積,從而提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性.故障限流器能減少對距離保護的影響,故障限流器的串入可以有效地抑制系統(tǒng)的電壓跌落.

[1]熊煒,盧宏振.廣東電力系統(tǒng)短路電流水平及限制措施研究[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2002,31(5):32-36.

[2]郭佳田,周堅,陸建忠.華東電網(wǎng)運行的主要問題及對策[J].華東電力,2000(4):26-29.

[3]范海虹.江蘇電網(wǎng)的短路電流水平預(yù)測分析[J].華東電力,2000(1):24-25.

[4]葉林,林良真.超導(dǎo)故障限流器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].中國電機工程學(xué)報,2000,20(7):1-5,8.

[5]徐丙垠,李天友,薛永端,等.柔性配電與故障電流限制技術(shù)[J].供用電,2007,27(1):20-26.

[6]張宏嘉.一種新型故障限流器的特性分析與研究[D].濟南:山東大學(xué),2010.

[7]劉凱,陳紅坤,林軍,等.故障限流器在電力系統(tǒng)中應(yīng)用研究現(xiàn)狀[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2010,38(7):147-151.

[8]陳金祥,董恩源,鄒積巖.具有串聯(lián)補償作用的新型故障限流器(FCL)的研究[J].電工技術(shù)學(xué)報,2001,16(1):48-51.

[9]林海雪.電力系統(tǒng)中電壓暫降和短時斷電[J].供用電,2002,19(1):9-13.

[10]Shawn Henry,Thomas Baldwin.Improvement of power quality by means of fault current limitation[C]//Proceeding s of the Thirty-Six th Southeastern Symosium On System Theory.Atlanta:2004:280-284.

[11]張洪軍,陳欲技,丁一.可改善電能質(zhì)量的故障限流器仿真研究[J].電力電子技術(shù),2005,39(5):8-10.