串聯(lián)諧振型限流器主電路的設(shè)計(jì)

趙永熹，王華昕

(上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090)

大負(fù)荷中心的短路電流迅猛增加導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行方式受到極大限制.傳統(tǒng)限流方式如采用高阻抗變壓器、更換斷路器等成本昂貴，而將電網(wǎng)分片和解列運(yùn)行會(huì)增加系統(tǒng)運(yùn)行的不穩(wěn)定因素，因此研制新型的面向超高壓電網(wǎng)的故障限流器迫在眉睫.國(guó)內(nèi)外研究者提出了許多研究方案.文獻(xiàn)［1］提出的超導(dǎo)限流器具有響應(yīng)速度快、自觸發(fā)等特性，但由于超導(dǎo)技術(shù)的不成熟，不能在工業(yè)上廣泛應(yīng)用;文獻(xiàn)［2］提出的固態(tài)橋式限流器采用可控電力電子裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可適應(yīng)重合閘等復(fù)雜操作，但受到裝置電壓等級(jí)的限制，只能應(yīng)用于配電網(wǎng);文獻(xiàn)［3］和文獻(xiàn)［4］也提出了各種原理的限流器，但都是基于實(shí)驗(yàn)室物理模型，較難應(yīng)用于超高壓電網(wǎng).

超高壓電網(wǎng)要求限流器具有極高的可靠性和快速響應(yīng)短路故障的能力，以適應(yīng)電網(wǎng)復(fù)雜操作的靈活性.文獻(xiàn)［5］分析了串聯(lián)電抗器在超高壓電網(wǎng)應(yīng)用的現(xiàn)狀，串聯(lián)電抗器可以限制短路電流，還可以起到控制潮流作用，但限流阻抗不能很大，安裝地點(diǎn)須慎重考慮.文獻(xiàn)［6］提出了基于串聯(lián)諧振型的限流器方案.該方案在工程上具有可實(shí)現(xiàn)性，又能適應(yīng)電網(wǎng)的各種復(fù)雜操作，較適用于超高壓電網(wǎng).

限流器原理主要是基于電容器和電抗器串聯(lián)諧振機(jī)理:短路故障發(fā)生時(shí)，電容器迅速被旁路，限流電抗器插入系統(tǒng)中，短路電流被抑制下來(lái).因此，如何實(shí)現(xiàn)電容器快速旁路是諧振型限流器的關(guān)鍵技術(shù).傳統(tǒng)的電容器過(guò)電壓保護(hù)電路方案主要是串補(bǔ)中采用避雷器、快速開關(guān)和間隙相配合的方案.限流器的工況比串補(bǔ)更惡劣，采用傳統(tǒng)保護(hù)措施已經(jīng)滿足不了限流器的要求.針對(duì)上述問(wèn)題，本文建立了限流器阻抗模型，分析了影響限流阻抗的因素，討論了阻抗范圍;介紹了新型限流器過(guò)電壓保護(hù)拓?fù)潆娐?，分析了阻尼回路的電流?yīng)力，得出了最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);分析了限流器投入電磁暫態(tài)過(guò)程，研究了保護(hù)裝置換流過(guò)程的應(yīng)力;分析了保護(hù)裝置的最大應(yīng)力，為保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)和考核提供了理論依據(jù).

1 諧振參數(shù)與主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 諧振參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)限流器安裝在單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)中，其等效阻抗如圖1所示.

圖1 單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)等效阻抗

設(shè)原系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí):

加入限流器后，系統(tǒng)發(fā)生短路故障10 ms后限流器動(dòng)作，閥體閉合旁路電容器:

式中:n——抑制因子，代表加入限流器后抑制短路電流效果;

XL0——諧振電容與其并聯(lián)的阻尼電抗.

式中k的取值有一定范圍，在工程設(shè)計(jì)時(shí)要躲避6n±1次諧波.而抑制因子n越大，表示限流器抑制短路電流能力越強(qiáng)，但穩(wěn)態(tài)時(shí)限流器上諧振電容與電抗上的電壓相等.抑制因子越大，電容上的電壓也就越大，Metal Oxide Variable(MOV)保護(hù)水平和能耗也線性增長(zhǎng).若要使限流器工作能力得到提高，必須要優(yōu)化參數(shù)，才能使裝置在合理電氣范圍內(nèi)工作［7］.

1.2 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

限流器的功能是限制系統(tǒng)中的短路電流.諧振型限流器安裝于緊密型網(wǎng)絡(luò)，與串補(bǔ)系統(tǒng)工況不一致，因此不能完全參照串補(bǔ)的過(guò)電壓保護(hù)方案.在傳統(tǒng)的電容器過(guò)電壓保護(hù)方案中，MOV作為主保護(hù)，火花間隙作為旁路電容器的開關(guān)［8，9］.在安裝限流器的系統(tǒng)中，短路電流上升時(shí)間快，MOV快速達(dá)到其整定值動(dòng)作，大量短路電流經(jīng)過(guò)MOV，造成MOV能耗迅速積累，保護(hù)裝置不能迅速動(dòng)作，會(huì)造成其過(guò)熱失效風(fēng)險(xiǎn).

晶閘管閥和火花間隙動(dòng)作時(shí)間都在微秒級(jí)別.火花間隙可以承受很高的電流沖擊，晶閘管閥有一定的電氣范圍，但晶閘管閥可靠性比火花間隙要高.火花間隙和晶閘管閥不能長(zhǎng)時(shí)間耐受大電流，而快速開關(guān)可以長(zhǎng)時(shí)間耐受.保護(hù)裝置特性不同，所需阻尼回路也不同，因此可將保護(hù)裝置與阻尼回路組合，組成多種拓?fù)浞桨?本文在串補(bǔ)和可控串補(bǔ)工程基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了3種方案，如圖2所示.其阻尼回路如圖3所示，由MOV加電阻和電抗并聯(lián)構(gòu)成.該阻尼回路的優(yōu)點(diǎn)是避免電抗器能耗過(guò)大，且放電迅速.

方案1是參考可控串補(bǔ)的過(guò)電壓保護(hù)電路，稱為可控串補(bǔ)型拓?fù)?方案2是參考串補(bǔ)的過(guò)電壓保護(hù)電路，稱為串補(bǔ)型拓?fù)?方案3是在方案1基礎(chǔ)上改進(jìn)的，稱為串補(bǔ)閥前小電抗型拓?fù)?3種拓?fù)渚捎肕OV，晶閘管閥，火花間隙，旁路開關(guān)作為保護(hù)裝置.MOV作為主保護(hù)，在故障發(fā)生后由晶閘管閥快速動(dòng)作來(lái)避免MOV過(guò)熱風(fēng)險(xiǎn)，快速開關(guān)切換晶閘管閥電流，間隙作為后備保護(hù)，以預(yù)防晶閘管閥的失效風(fēng)險(xiǎn).

圖2 限流器過(guò)電壓保護(hù)電路的3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 阻尼回路示意

各拓?fù)浞桨钢斜Ｗo(hù)策略是一致的，但保護(hù)裝置不一致，由此造成阻尼回路各有不同.晶閘管閥體對(duì)電流應(yīng)力有一定的要求.對(duì)所有拓?fù)涠?，電流最大的?yīng)力在短路電流峰值處.而阻尼回路不改變短路電流峰值，因此拓?fù)浞桨傅淖畲箅娏鲬?yīng)力一致.但拓?fù)溆绊懥穗娏鞫付群妥枘犭娏髡袷帟r(shí)間.對(duì)閥體而言，陡度也是電流應(yīng)力的考核指標(biāo)，陡度過(guò)高也會(huì)使閥體受損.

不同拓?fù)浞桨钢凶枘犭娏鲗?duì)比見表1.

表1 不同拓?fù)浞桨钢凶枘犭娏鲗?duì)比

圖4為閥體初始電流波形.由圖4可知，雖然方案1中阻尼電流陡度最小，但阻尼電抗消耗的能量極大;方案2中的阻尼電流衰減最快，但電流陡度最大;方案3各項(xiàng)指標(biāo)都較好，采用MOV加電阻的阻尼回路，電流衰減很快，閥前小電抗模式能降低電流陡度.

圖4 閥體初始電流波形

2 電磁暫態(tài)過(guò)程分析

依照保護(hù)裝置投入狀態(tài)不同，限流器投入過(guò)程可分為MOV動(dòng)作、閥體動(dòng)作和快速開關(guān)動(dòng)作3個(gè)階段.設(shè)故障發(fā)生時(shí)刻為t0，MOV動(dòng)作時(shí)間為t1，晶閘管閥動(dòng)作時(shí)間為t2，快速開關(guān)動(dòng)作時(shí)間為t3，線路斷路器動(dòng)作時(shí)間為t4.當(dāng)電容器電壓達(dá)到避雷器啟動(dòng)電壓時(shí)，避雷器馬上動(dòng)作.設(shè)故障發(fā)生時(shí)間在200 ms，MOV在203.5 ms動(dòng)作，故障電流從電容轉(zhuǎn)移到MOV上，見圖5.

圖5 保護(hù)裝置電流曲線

在［t2，t3］區(qū)間內(nèi)，晶閘管閥動(dòng)作，電容器迅速放電，阻尼回路上有兩個(gè)電流疊加，一個(gè)是電容器的放電電流，一個(gè)是故障電流.保護(hù)裝置晶閘管閥將承受大電流的沖擊.圖6為限流器裝置電壓電流曲線.依據(jù)圖6，在204.6 ms時(shí)閥體閉合，晶閘管閥端電壓立刻下降.在204.6～205 ms內(nèi)，閥體與MOV換流，MOV電流變化按其電流-電壓曲線變化，閥體電流迅速增長(zhǎng).

圖6 限流器裝置電壓-電流曲線

在這一換流過(guò)程中，MOV端口電壓從50 kV變到低電壓有一段時(shí)間，電容電流沒(méi)有馬上突變.當(dāng)晶閘管閥體作為一個(gè)理想開關(guān)時(shí)，閥開通，MOV電流轉(zhuǎn)移到閥上，MOV恢復(fù)阻斷狀態(tài)需要500 μs.在這段時(shí)間內(nèi)電容器端口電壓還是限制在50 kV，電容器放電電流還沒(méi)有上升.流過(guò)晶閘管閥的電流是MOV換流的電流.晶閘管閥電流陡度為100 A/μs，這是由短路電流造成的.從205 ms開始到240 ms，保護(hù)裝置只有晶閘管閥體導(dǎo)通.

晶閘管閥電流是電容器放電電流與短路電流的疊加，阻尼支路電流-電壓波形如圖7所示.

圖7 阻尼支路電壓-電流示意

由圖7可以看出，晶閘管閥電流在1 ms時(shí)上升至62 kA，5 ms后上升至65 kA.電容器放電電流為衰減的震蕩電流，短路電流是含衰減的直流分量.在初始階段閥體電流有強(qiáng)烈的震蕩部分.設(shè)開關(guān)合閘時(shí)間為50 ms.在255 ms處，快速開關(guān)合閘，快速開關(guān)和晶閘管換流.當(dāng)旁路開關(guān)拒動(dòng)，閥體流過(guò)所有短路電流直到斷路器斷開.假設(shè)快速開關(guān)未能及時(shí)閉合或者沒(méi)有動(dòng)作，那末保護(hù)閥要一直工作到斷路器跳開.在短路故障切斷前，故障電流都由閥體承擔(dān).晶閘管閥是電容器的主要保護(hù)裝置.閥體工作在斷態(tài)和全導(dǎo)通狀態(tài).閥體在導(dǎo)通時(shí)是兩個(gè)管子輪流導(dǎo)通的，閥體反向恢復(fù)電壓很低;閥體全導(dǎo)通時(shí)間非常短，在導(dǎo)通區(qū)間流經(jīng)的沖擊電流非常大.

3 算例分析

將限流器安裝于華東地區(qū)某潮流輸入通道上，因處于500 kV交流通道聯(lián)絡(luò)點(diǎn)上，其短路電流超標(biāo)極其嚴(yán)重.設(shè)限流指標(biāo)為40 kA，限流器動(dòng)作時(shí)間限值為1/2周波.仿真軟件采用PSCAD4.0.2，故障發(fā)生時(shí)刻在 0.21 s.按照上述方法來(lái)設(shè)計(jì)限流器電路參數(shù):限流電抗為10 Ω，阻尼電抗為500 μH，閥前小電抗為410 μH.故障為線路出口處.限流器動(dòng)作曲線如圖8所示.

圖8 限流器動(dòng)作曲線

從圖8可以看出，限流器在故障后的1/4周波內(nèi)動(dòng)作.當(dāng)電容器過(guò)電壓時(shí)，MOV瞬間動(dòng)作;故障電流檢測(cè)后迅速觸發(fā)晶閘管閥體和閉合快速開關(guān);閥體導(dǎo)通后，電容迅速放電，MOV能耗停止上升.

4 結(jié)論

(1)建立了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，從時(shí)域角度分析了限流器各個(gè)保護(hù)裝置投入過(guò)程的阻尼電流變化情況.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，串加閥前小電抗型拓?fù)?方案3)能有效降低阻尼電流陡度和電流振蕩時(shí)間.

(2)依據(jù)保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)序，分析了限流器電磁暫態(tài)過(guò)程，研究了保護(hù)裝置換流過(guò)程的應(yīng)力水平.詳細(xì)分析了晶閘管閥在快速開關(guān)故障狀態(tài)時(shí)的最大應(yīng)力，為保護(hù)裝置的考核和設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).

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