磁元件型故障限流器電網(wǎng)接入技術(shù)研究

郄朝輝，朱炳銓，崔曉丹，李兆偉，趙一琰，張子龍，武 迪

（1.南瑞集團有限公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司），南京 211106；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007；3.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

隨著特高壓交直流電網(wǎng)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)輸送容量劇增，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜。電網(wǎng)發(fā)展呈現(xiàn)出裝機容量逐漸增大和互聯(lián)電網(wǎng)逐漸擴大的趨勢，造成系統(tǒng)中短路電流增長，部分地區(qū)短路電流超過了斷路器的遮斷容量，且上升趨勢不斷增加，嚴重威脅到系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

傳統(tǒng)的短路電流限制技術(shù)主要從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)運行方式和設(shè)備本體上采取措施[1-3]，包括：提升電壓等級，電網(wǎng)分層、分區(qū)運行；變電站母線分段運行；改變系統(tǒng)運行方式，防止母線容量集中；采用高阻抗變壓器及發(fā)電機；提高斷路器遮斷容量等方式。實際電網(wǎng)運行時，一般組合使用以上多種短路電流限制方式，以期達到最優(yōu)效果。

上述短路電流限制技術(shù)多為被動型的限流措施，其缺點是破壞電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，增加穩(wěn)態(tài)運行時系統(tǒng)阻抗，在復(fù)雜大電網(wǎng)中適用性差、運行成本高。以浙江電網(wǎng)為例，在電網(wǎng)安全穩(wěn)定約束下，斷路器遮斷容量的提高受成本和技術(shù)約束，部分地區(qū)采取傳統(tǒng)的限流措施已經(jīng)難以有效降低短路故障電流。

近年來出現(xiàn)了一種較為實用的磁元件型故障限流器[4-6]（以下簡稱“故障限流器”），在電網(wǎng)正常運行期間呈現(xiàn)小電抗特性，在電網(wǎng)發(fā)生故障后，轉(zhuǎn)變?yōu)榇箅娍箯亩行Ы档投搪冯娏鳎收舷Ш罂焖俪尸F(xiàn)小電抗。依據(jù)磁路特性構(gòu)建故障限流器是一種主動的短路電流限制措施，通過正常運行和短路故障時的阻抗特性抑制短路電流，具有比傳統(tǒng)故障限流技術(shù)影響小、效果精準的優(yōu)勢。

為推進故障限流器的實際電網(wǎng)應(yīng)用和接入技術(shù)，通過結(jié)構(gòu)和原理特性分析，研究故障限流器的響應(yīng)特性和分析模型。通過建立單機無窮大系統(tǒng)研究和分析故障限流器的限流原理及其對電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的影響，以浙江電網(wǎng)為例，研究故障限流器對輸電斷面輸送功率和接入方案對電網(wǎng)短路電流抑制效果，研究故障電流限制器的電網(wǎng)接入技術(shù)。

1 磁元件型故障限流器特性

1.1 磁元件型故障限流器原理

磁元件型故障限流器主要分為磁通約束型和磁飽和開關(guān)型，2種故障限流器串聯(lián)接入到電網(wǎng)，通過磁通的控制實現(xiàn)響應(yīng)電抗的快速投入和退出。

磁通約束型故障限流器結(jié)構(gòu)如圖1所示，磁通約束型故障限流器3個繞組繞在同一鐵心上。各繞組的匝數(shù)和繞向都相同，分別串聯(lián)在電力系統(tǒng)的三相。當電網(wǎng)正常運行時，三相電流平衡運行，零序電流的和為零，鐵心內(nèi)的磁通量為零，限流裝置對電網(wǎng)呈現(xiàn)非常小的阻抗。在電網(wǎng)發(fā)生接地短路故障時，三相電流失去平衡，故障電流被零序電抗和故障電流變化率所限制，電抗值突然增大。

圖1 磁通約束型故障限流器限流原理

磁飽和開關(guān)型單相限流原理如圖2所示，磁飽和開關(guān)型故障限流器即利用鐵心磁路特性，正常工況下，限流繞組工作在飽和狀態(tài)，輸出低阻抗以降低對系統(tǒng)運行的影響。故障工況下，限流繞組工作在去飽和狀態(tài)以實現(xiàn)高阻抗限流的目的。磁飽和開關(guān)型故障限流器通過3個單相限流結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電網(wǎng)故障電流限制。

圖2 磁飽和開關(guān)型故障限流器單相限流原理

1.2 磁元件型故障限流器響應(yīng)特性

由故障限流器的結(jié)構(gòu)及特性可知，2種故障限流器在電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下表現(xiàn)出較低的阻抗，在電網(wǎng)故障情況下線路電流增加時表現(xiàn)為較大阻抗，可限制短路電流。當繼電保護裝置將故障切除后，故障電流為零，限流器呈現(xiàn)較低阻抗。因此，可根據(jù)故障限流器的響應(yīng)特性進行統(tǒng)一外特性建模，用于電網(wǎng)接入技術(shù)研究和分析。

如圖3所示，根據(jù)故障限流器時間響應(yīng)特性，整個響應(yīng)過程劃分為5個階段。

（1）正常階段：故障限流器對外呈現(xiàn)較低阻抗，不影響電網(wǎng)正常運行。

（2）檢測階段：t0時電網(wǎng)發(fā)生故障，故障限流器對故障電流進行檢測，確認發(fā)生故障。

（3）投入階段：故障限流器檢測到故障后，t1時刻啟動阻抗投入，投入阻抗不斷增大。

（4）持續(xù)階段：t2時刻故障限流器設(shè)計阻抗完全投入，并持續(xù)投入阻抗。

（5）退出階段：t3時刻故障被繼電保護切除，故障電流消失，故障限流器逐步退出阻抗，直至t4時刻投入阻抗恢復(fù)，并進入下一個正常階段。

圖3 磁元件型故障限流器動作時序

不同類型故障限流器的響應(yīng)特性存在差異，磁通約束型故障限流器無需檢測故障電流，檢測階段和投入階段時間延遲小于1 ms。磁飽和開關(guān)型故障限流器需要檢測故障電流并需要去磁，檢測和投入共需要30～40 ms時間，投入速度慢于磁通約束型。

2 磁元件型故障限流器電網(wǎng)接入研究

2.1 故障電流限制研究

不同類型故障限流器響應(yīng)特性和阻抗投入大小不同，通過故障限流器故障電流限制過程分析，研究不同類型故障限流器的故障電流限制效果，支撐故障限流器電網(wǎng)接入研究。

如圖4所示，建立單機無窮大系統(tǒng)，分析故障限流器故障電流限制原理。根據(jù)結(jié)構(gòu)原理特性，將故障限流器串聯(lián)在系統(tǒng)中。

對于圖4所示的三相電路，短路發(fā)生前，電路處于穩(wěn)態(tài)，此時故障限流器對外呈現(xiàn)小阻抗，其a相電流表達式為：

圖4 無限大功率電源供電的三相電路突然短路

式中：Um為電源幅值；R，L和R′，L′分別為系統(tǒng)被短路點分割的兩側(cè)電阻和電抗。

當在f點發(fā)生三相短路時，故障限流器電感為Lfcl，此時電網(wǎng)被分為2個獨立的電路。左邊的回路即短路回路仍舊與電源連接，而右邊的回路則變?yōu)闆]有電源的回路。在右邊回路中，電流將從短路發(fā)生瞬間的值不斷衰減，一直衰減到磁場中儲存的能量全部變?yōu)殡娮柚兴牡臒崮埽娏骷此p為零。在與電源相連的短路回路中，不布置故障限流器的阻抗值變?yōu)椋≧+jωL），布置故障限流器的阻抗變化為（R+jωL+jωLfcl）， 阻抗增加。因此，布置故障限流器后穩(wěn)態(tài)故障電流值必將變小。假定在t=0 s時發(fā)生短路，由于電路仍為對稱，a相電流的瞬時值應(yīng)滿足如下微分方程：

式中：Lfcl為投入的故障限流器電抗。

常微分方程的特解即為強制分量穩(wěn)態(tài)短路電流：Im為穩(wěn)態(tài)短路電流的幅值。

式中： Z 為短路回路每相阻抗（R+jωL+jωLfcl）的模值；φ為穩(wěn)態(tài)短路電流和電源電壓間的相角（arc-

由于故障限流器阻抗的投入，短路穩(wěn)態(tài)電流大幅下降。式（4）的通解對應(yīng)齊次方程的解：

齊次方程的解即短路電流的自由分量，又稱直流分量或非周期分量，它按照指數(shù)規(guī)律衰減，即：

式中：C為積分常數(shù)，其值為直流分量的初始值；Ta為衰減時間常數(shù)，是特征方程p（L+Lfcl）+R的根則a相短路電流的表達式為：

由于在0 s時電流不能發(fā)突變，因此0 s時電流為： ia（0）=Imsin（a-φ）+C=Im|0|sin（a-φ|0|）。 故有：

b相和c相短路電流可使用相同方法得到。由式（7）可知，故障限流器在檢測階段和投入階段用時越少，能越早抑制短路電流周期分量，則周期分量抑制效果越好。非周期分量衰減速度相同，初始值包含交流分量和直流衰減分量，故障限流器投入越快，則直流衰減分量越小。交流分量幅值不變，瞬時值與短路時相位和系統(tǒng)阻抗相關(guān)。因此，總體而言，故障限流器投入越快，對抑制電流越有利。

2.2 對電網(wǎng)安全穩(wěn)定影響

故障限流器主要用于抑制故障電流，解決短路電流超標問題，提高斷路器故障切除時動作裕度。一般電網(wǎng)發(fā)生短路電流超標時，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較強，系統(tǒng)主要是熱穩(wěn)定問題。電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較弱時，短路電流一般不會超過斷路器遮斷電流[7-15]。因此，使用故障限流器抑制短路電流的場景，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)較強，電網(wǎng)安全穩(wěn)定性較好。

以簡單的單機無窮大系統(tǒng)為例，分析磁通約束型故障限流器對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的影響。如圖5所示，正常運行時發(fā)電機經(jīng)升壓變壓器和雙回線路向無限大系統(tǒng)送電，并在其中一回線上加裝故障限流器。

圖5 加裝故障限流器的單機無窮大系統(tǒng)

當其中一回線發(fā)生三線短路故障時，故障線路上的故障限流器由于受到短路沖擊變?yōu)橐粋€大的電抗，系統(tǒng)間的總電抗及發(fā)電機發(fā)出的電磁功率表達式分別為：

將X2∑對X進行求導(dǎo)，得出：

可以看出，對于理想的單機無窮大系統(tǒng)，X2∑對X為單調(diào)遞減函數(shù)。因此，對于單機無窮大系統(tǒng)，不管在輸電線路的任何位置發(fā)生故障，只要投入故障限流器，都能使總轉(zhuǎn)移阻抗X2∑減小。

如圖6所示，發(fā)電機的功角特征曲線中P1為正常運行曲線，P3為故障切除后的曲線，P2為不投入故障限流器的曲線，P2t為投入故障限流器的曲線。正常運行時，發(fā)電機向無窮大系統(tǒng)輸送的功率為P0，此時原動機的輸入功率為Pt=P0，工作點在a點，對應(yīng)功角為δ0；發(fā)生短路瞬間，發(fā)電機功角特征曲線變?yōu)镻2，工作點轉(zhuǎn)移到b，此時發(fā)電機轉(zhuǎn)子加速，考慮到故障限流器投入可能的延時，當工作點轉(zhuǎn)移到c點時，功角特性曲線變?yōu)镻2t，工作點變?yōu)閐點，發(fā)電機繼續(xù)加速到達e點；此時繼電保護動作，故障被切除，功角特性曲線變?yōu)镻3，工作點到g點，電磁功率增加，發(fā)電機轉(zhuǎn)子受到制動而開始減速，但是仍大于零，因此功角繼續(xù)增大，工作點向h點移動。到達h點后，轉(zhuǎn)子速度減速至同步轉(zhuǎn)速，功角到達最大值，由于功率平衡還未恢復(fù)，所以不能在h點建立同步運行的穩(wěn)態(tài)。發(fā)電機的轉(zhuǎn)子受減速性不平衡轉(zhuǎn)矩制動，轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降，功角開始減小。如果不計能量損失，工作點將不斷來回變動，考慮到震蕩過程中的阻尼，震蕩將逐步衰弱，最終穩(wěn)定在某一點。在故障發(fā)生到故障切除這段時間里，發(fā)電機由于功率過剩，轉(zhuǎn)子加速。因此，故障限流器的投入實質(zhì)上減少了系統(tǒng)的加速面積S3，使轉(zhuǎn)子功角搖擺的幅值減少。因此，故障限流器的投入對電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生積極作用。

圖6 投入故障限流器后功角特征曲線

選取實際電網(wǎng)數(shù)據(jù)，仿真計算故障限流器對電網(wǎng)安全穩(wěn)定性影響。如圖7所示，選取福建—浙江輸電斷面：榕城—蓮都雙回線、寧德—金華雙回線共4回線路，輸電斷面布置故障限流器，仿真分析故障限流器投入后對電網(wǎng)輸電斷面影響。

圖7 福建—浙江輸電斷面

結(jié)果如表1所示，投入故障限流器（20 Ω），在斷面關(guān)鍵約束故障下，電網(wǎng)斷面極限輸電能力有微小提升，2類故障限流器差異小。因此，在浙福斷面布置故障限流器對輸電斷面極限功率結(jié)果表明，故障限流器對電網(wǎng)安全穩(wěn)定性影響較小。

表1 故障限流器對輸電斷面功率影響

2.3 磁元件型故障限流器接入方案

以浙江電網(wǎng)為例，研究故障限流器（30 Ω）不同接入方案對故障電流限制影響。仿真結(jié)果表明，浙江電網(wǎng)喬司站短路電流較大，斷路器開關(guān)裕度較小。因此，在喬司站附近位置布置故障限流器，通過對故障限流器不同接入方案進行仿真，比較短路時附近母線和線路分支電流抑制效果，研究故障限流器電網(wǎng)接入方案。

如表2所示，故障限流器布置在短路時分支電流最大位置（喬涌線）的總體抑制效果最明顯，而布置在變壓器高壓側(cè)、中壓側(cè)等位置，對變電站短路電流、超標線路短路電流水平抑制較弱。主要原因為系統(tǒng)短路時分支電流較小時，故障限流器對故障電流抑制效果總體受限，因此對整體短路電流抑制效果不明顯。

表2 故障限流器不同位置對短路電流影響

3 結(jié)語

通過對磁通約束型和磁飽和開關(guān)型2類故障限流器的結(jié)構(gòu)特性進行分析，研究了磁元件型故障限流器的時間響應(yīng)特性。

建立單機無窮大系統(tǒng)，研究磁元件型故障限流器的限流原理、不同類型故障限流器的電流抑制效果和磁元件型故障限流器對電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的影響。故障限流器投入阻抗越大，對抑制故障電流越有利；故障限流器響應(yīng)速度越快，對抑制故障電流越有利。故障限流器對電網(wǎng)安全穩(wěn)定性總體有利，通過在實際浙福斷面投入故障限流器，仿真得出故障限流器提升電網(wǎng)輸電斷面功率較小，對電網(wǎng)安全穩(wěn)定性影響較小。通過浙江電網(wǎng)故障限流器不同接入方案的對比研究，分析得出在短路電流超標最嚴重處布置故障限流器對電網(wǎng)短路電流限制最有利。