兼顧最大短路電流抑制和運(yùn)行損耗的限流技術(shù)

劉健，劉飛，張志華

(1.陜西電力科學(xué)研究院，西安 710100； 2.西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，西安 710048)

0 引 言

我國(guó)變壓器采取“大容量、少布點(diǎn)”規(guī)劃設(shè)計(jì)理念，隨著電網(wǎng)互聯(lián)的不斷密切，短路電流超標(biāo)問(wèn)題日益嚴(yán)重，不僅威脅到變壓器、斷路器、母線和其他電氣設(shè)備的安全，往往也會(huì)引起電壓暫降問(wèn)題，影響敏感負(fù)荷的用電連續(xù)性。為保障電網(wǎng)的安全、可靠與穩(wěn)定運(yùn)行，須采取經(jīng)濟(jì)有效的短路電流限制措施。

針對(duì)短路電流超標(biāo)的問(wèn)題，目前已取得大量研究成果。文獻(xiàn)[1]介紹了串聯(lián)諧振限流器、飽和鐵芯限流器、超導(dǎo)限流器和固態(tài)限流器的發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)特點(diǎn)，并分析了影響限流器進(jìn)入電力市場(chǎng)的制約因素。文獻(xiàn)[2-9]分別介紹了串聯(lián)諧振限流器[2-3]、飽和鐵芯限流器[4-5]、超導(dǎo)限流器[6-7]和固態(tài)限流器[8-9]的相關(guān)原理與應(yīng)用。文獻(xiàn)[10]論述了一種由電力電子器件和電容、電感組成的具有串補(bǔ)功能的故障電流限制裝置，在故障時(shí)快速限制短路電流，在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)也可提高傳輸能力，從故障限流的角度看仍是一種固態(tài)限流器。文獻(xiàn)[11]論述了超導(dǎo)限流器的參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題。文獻(xiàn)[12]介紹了相比現(xiàn)有的限流運(yùn)行措施，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看通過(guò)直流背靠背異步互聯(lián)限制短路電流是可行的解決辦法。

應(yīng)用快速開(kāi)關(guān)與限流電抗器配合實(shí)現(xiàn)無(wú)損限流是一種有效的短路電流抑制手段，已經(jīng)取得了大量研究和應(yīng)用成果。文獻(xiàn)[13]給出了一種新型的基于快速開(kāi)關(guān)的故障電流限制器，相比較串聯(lián)諧振型限流器和固態(tài)限流器，其在限流特性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性等方面具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快和無(wú)運(yùn)行損耗的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[14]研究了短路故障的快速識(shí)別技術(shù)和短路電流過(guò)零點(diǎn)預(yù)測(cè)算法的改進(jìn)，將該技術(shù)應(yīng)用到快速開(kāi)關(guān)型故障限流器的開(kāi)斷中，提高開(kāi)關(guān)的動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間，并且提高開(kāi)關(guān)使用壽命和開(kāi)斷能力。

但是，基于快速開(kāi)關(guān)與限流電抗器配合的無(wú)損限流裝置在應(yīng)用中仍存在一些問(wèn)題，文獻(xiàn)[15]指出的這類裝置仍不能確保在所有故障相角下都能實(shí)現(xiàn)“首波開(kāi)斷”，從而不能有效抑制短路電流最大值(有時(shí)出現(xiàn)在第一個(gè)波峰、有時(shí)出現(xiàn)在第二個(gè)波峰)對(duì)設(shè)備的沖擊傷害。

為了解決常規(guī)無(wú)損限流器在10 kV配電網(wǎng)中不能保證所有故障相角下都能有效抑制短路電流第一波峰，從而不能有效防護(hù)短路電流沖擊傷害的問(wèn)題，本文提出了一種快速開(kāi)關(guān)僅與一定比例限流電抗器并聯(lián)的、兼顧最大短路電流抑制和運(yùn)行損耗的輕損限流技術(shù)，該限流技術(shù)既能解決常規(guī)無(wú)損限流器存在問(wèn)題，又能在一定程度上使電網(wǎng)在正常運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生附加損耗最小。

為了研究輕損限流技術(shù)的限流特性，本文展開(kāi)了以下幾個(gè)方面研究：首先介紹常規(guī)無(wú)損限流器和輕損限流器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，提出了輕損限流器中限流電抗器與快速開(kāi)關(guān)并聯(lián)部分的最佳比例范圍的方法，以及利用仿真軟件PSCAD建立仿真模型；然后通過(guò)典型案例對(duì)比分析了發(fā)生三相相間短路故障和兩相相間短路故障后，常規(guī)無(wú)損限流器和輕損限流器分別應(yīng)用自然過(guò)零熄弧和人工過(guò)零熄弧技術(shù)的限流特性；最后對(duì)得到的仿真結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析。

1 基本原理

1.1 常規(guī)無(wú)損限流器

常規(guī)無(wú)損限流器由限流電抗器L和機(jī)械快速開(kāi)關(guān)S并聯(lián)以及控制器C構(gòu)成，如圖1(a)所示。

圖1 常規(guī)無(wú)損限流器(a)和輕損限流器(b)的構(gòu)成

正常運(yùn)行時(shí)，開(kāi)關(guān)S處于閉合狀態(tài)，將電抗器L旁路，因此無(wú)附加損耗和電壓降；發(fā)生短路故障后，控制器C迅速檢測(cè)到故障后控制開(kāi)關(guān)S快速斷開(kāi)，將電抗器L投入實(shí)現(xiàn)限流。

為了迅速檢測(cè)出故障，控制器C不能采取繼電保護(hù)常用的傅氏算法，而需采取更快速的檢測(cè)算法[16]，一般可以在Δt1=2 ms～3 ms之內(nèi)檢測(cè)出故障。

機(jī)械快速開(kāi)關(guān)一般采用斥力操動(dòng)機(jī)構(gòu)，其動(dòng)作時(shí)間一般可在Δt2=0.8 ms～1.5 ms之內(nèi)完成觸頭分?jǐn)啵怯捎诜謹(jǐn)鄷r(shí)存在電弧，在電流過(guò)零點(diǎn)才能熄弧實(shí)現(xiàn)真正意義的分?jǐn)郲17]。

綜上所述，從短路故障發(fā)生到開(kāi)關(guān)S真正分?jǐn)嗍瓜蘖麟娍蛊鱈投入的延時(shí)時(shí)間ΔT為:

ΔT=Δt1+Δt2+Δt3

(1)

式中 Δt3為觸頭分?jǐn)嗟诫娏鬟^(guò)零點(diǎn)的時(shí)間。Δt1和Δt2主要取決于控制器和開(kāi)關(guān)的性能，而Δt3卻與故障相角有關(guān)，在不利的故障相角下有可能在開(kāi)關(guān)S真正分?jǐn)嗍瓜蘖麟娍蛊鱈投入之前，已經(jīng)經(jīng)歷了短路電流的峰值，對(duì)設(shè)備已經(jīng)造成了損害。

上述熄弧過(guò)程稱為“自然過(guò)零熄弧”，一些制造企業(yè)采用電力電子裝置在開(kāi)關(guān)S的觸頭分?jǐn)嗪罅⒓粗圃烊斯る娏鬟^(guò)零點(diǎn)迫使電弧熄滅，實(shí)現(xiàn)限流電抗器L投入，這稱為“人工過(guò)零熄弧”。文獻(xiàn)[18]論述了三種主流的人工過(guò)零技術(shù)，即：自激振蕩法、預(yù)充電振蕩法和耦合電感引入反向電流，本文不再贅述。但是，上述措施只能將Δt3近似消除，而不能減少Δt1和Δt2，因此仍存在在不利的故障相角下有可能無(wú)法抑制短路電流峰值的問(wèn)題。為了解決上述問(wèn)題，提出一種輕損限流技術(shù)。

1.2 輕損限流器

輕損限流器是在常規(guī)無(wú)損限流器基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個(gè)抽頭將電抗器一分為二(未與快速開(kāi)關(guān)并聯(lián)部分記為L(zhǎng)1，與快速開(kāi)關(guān)并聯(lián)部分記為L(zhǎng)2)，機(jī)械快速開(kāi)關(guān)S僅與L2并聯(lián)，如圖1(b)所示。

發(fā)生短路故障后，L1在L2投入之前始終發(fā)揮限流作用，待L2投入后與L1串聯(lián)實(shí)現(xiàn)更深度限流。

由于L1能夠起到抑制不利故障相角下流過(guò)的短路電流的峰值，避免了短路故障發(fā)生后，快速開(kāi)關(guān)未能在短路電流第一個(gè)波峰到達(dá)之前斷開(kāi)，使短路電流嚴(yán)重超標(biāo)的問(wèn)題，從而減輕沖擊電流對(duì)設(shè)備造成的傷害。

但是，在正常運(yùn)行時(shí)，由于L1仍串聯(lián)在線路中，會(huì)產(chǎn)生一定的損耗和電壓降。

在實(shí)際中，需要在L1的限流作用與引起的附加損耗和電壓降問(wèn)題之間折中，尋找L1的最佳比例。

1.3 L1的最佳比例

1.3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了獲得L1的最佳比例ψo(hù)pt，需要引入一組評(píng)價(jià)指標(biāo)：

1)最大短路電流峰值。

最大短路電流峰值IPP是指：故障時(shí)在不利故障相角下，流過(guò)各個(gè)相別的短路電流峰值的最大值。

(2)超過(guò)允許最大短路電流峰值的持續(xù)時(shí)間。

超過(guò)允許最大短路電流峰值的持續(xù)時(shí)間TOC是指：故障時(shí)在不利故障相角下，流過(guò)各個(gè)相別的短路電流峰值超過(guò)允許最大短路電流峰值的最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間。

假設(shè)期望將短路電流的有效值限制在Imax,e以下，則故障時(shí)允許最大短路電流峰值ID,PP為[19]:

(2)

式中 KM=1.8為沖擊系數(shù)；Imax,e為線路所能承受的最大短路電流有效值。

(3)附加損耗。

附加損耗ΔPL1是指：正常運(yùn)行時(shí)，在額定電流下，因電抗器L1產(chǎn)生的損耗。

(3)

式中Ie為額定電流的有效值；R1為電抗器L1中電阻。

(4)附加電壓降。

附加電壓降ΔVL1是指：正常運(yùn)行時(shí)，在額定電流下，因電抗器L1產(chǎn)生的電壓降。

1.3.2 尋優(yōu)方法

首先，根據(jù)所期望短路電流的有效值Imax,e和電源側(cè)的等效阻抗值ZS，計(jì)算出所需要的限流電抗器L的等效阻抗值ZL(其中L=L1+L2，電抗器中的電阻RL與電抗XL按RL/XL=0.1設(shè)置)。

以L1的不同占比為橫坐標(biāo)，分別按式(4)～式(8)對(duì)IPP、TOC、ΔPL1和ΔVL1進(jìn)行歸一化處理，并作出I′PP、T′OC、ΔP′L1和V′L1隨L1占比變化曲線。

(4)

(5)

(6)

(7)

V′L1=1-ΔV′L1

(8)

一般情況下，隨L1占比的增大，V′L1略有減小，I′PP和T′OC則迅速降低，而ΔP′L1呈近似線性上升趨勢(shì)。綜合考慮各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，I′PP和T′OC曲線與ΔP′L1曲線交叉的部分，一般是L1所占比例的最佳取值范圍。

最大短路電流峰值IPP和超過(guò)允許最大短路電流峰值的持續(xù)時(shí)間TOC難以解析地表達(dá)出來(lái)，需基于仿真軟件PSCAD平臺(tái)進(jìn)行數(shù)字仿真獲得。

附加損耗ΔPL1和附加電壓降ΔVL1可以解析計(jì)算得出。

1.3.3 基于PSCAD的數(shù)字仿真

基于仿真軟件PSCAD平臺(tái)，建立了如圖2所示仿真模型，對(duì)不同短路故障情形進(jìn)行數(shù)字仿真。

圖2 輕損限流仿真電路

在圖2中：將電源側(cè)等效為一個(gè)無(wú)窮大功率系統(tǒng)，其阻抗為ZS；P和Q分別為負(fù)荷側(cè)有功功率和無(wú)功功率；F表示短路故障；電抗器L1的阻抗為ZL1，電抗器L2的阻抗為ZL2；控制器C的仿真電路如圖3所示(以A相為例)。

圖3 控制器C的仿真電路局部(A相)

仿真時(shí)三相開(kāi)關(guān)采用獨(dú)立分?jǐn)嗫刂?，僅以控制開(kāi)關(guān)S的A相觸頭分?jǐn)噙^(guò)程為例加以說(shuō)明：

開(kāi)關(guān)S的B相和C相觸頭的分?jǐn)噙^(guò)程控制與A相類似，不再贅述。

2 典型案例分析

某段10 kV母線的電源側(cè)等效阻抗ZS為(0.014548+j0.18272) Ω，10 kV最大的短路電流峰值IPP超標(biāo)達(dá)到76.998 kA。欲將穩(wěn)態(tài)短路電流有效值Imax,e限制在16 kA以下(相應(yīng)的允許最大的短路電流峰值為40.729 kA)，則電抗限流器ZL的等效阻抗應(yīng)為(0.017662+j0.17662)Ω。此例中Δt1+Δt2=0.004 s。

擬在母線出線處串聯(lián)安裝由限流電抗器和機(jī)械快速開(kāi)關(guān)并聯(lián)的限流裝置，研究在最不利位置處發(fā)生不同相間短路故障的限流場(chǎng)景。首先分析安裝常規(guī)無(wú)損限流器時(shí)的應(yīng)用效果。

2.1 配置常規(guī)無(wú)損限流器的應(yīng)用效果

對(duì)于開(kāi)關(guān)S采取自然過(guò)零熄弧的情形，在發(fā)生三相相間短路故障時(shí)，配置常規(guī)無(wú)損限流器和無(wú)限流措施時(shí)，短路電流峰值與故障相角(A相)的關(guān)系如圖4所示。

圖4 三相相間短路的電流峰值與故障相角的關(guān)系

由圖4可見(jiàn)，應(yīng)用常規(guī)無(wú)損限流器對(duì)短路電流峰值具有抑制作用，但是當(dāng)故障相角為46.8°、104.4°和165.6°附近，對(duì)短路電流峰值的抑制作用并不明顯，仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)所希望水平。這主要是由于故障發(fā)生后，故障檢測(cè)Δt1和開(kāi)關(guān)動(dòng)作Δt2都需要一定延時(shí)，并且需在電流過(guò)零點(diǎn)才能真正開(kāi)斷，造成沖擊電流峰值不能及時(shí)抑制。在Δt1+Δt2=0.004 s 的情況下，A相46.8°、104.4°和165.6°為最不利故障相角，分別為引起C相、B相和A相的電流最大。

在發(fā)生兩相相間短路故障時(shí)，也存在有類似的情況，如圖5所示。

圖5 兩相相間短路的電流峰值與故障相角的關(guān)系

由圖5可見(jiàn)，在故障相角18°～75.6°內(nèi)，應(yīng)用常規(guī)無(wú)損限流器對(duì)短路電流峰值抑制效果比較明顯，特別是在故障相角39.6°～72°對(duì)短路電流峰值抑制效果最好，而在其它故障相角下，對(duì)短路電流峰值抑制作用不大。

對(duì)于開(kāi)關(guān)S采取人工過(guò)零熄弧的情形，得到的結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

圖6 三相相間短路的電流峰值與故障相角的關(guān)系

由圖6可見(jiàn)，應(yīng)用人工過(guò)零熄弧技術(shù)后，對(duì)各個(gè)故障相角下短路電流峰值的抑制效果都明顯改善，但仍未達(dá)到所希望的短路電流峰值限制要求。

在發(fā)生兩相相間短路故障時(shí)，也存在有類似的情況，如圖7所示。

圖7 兩相相間短路的電流峰值與故障相角的關(guān)系

下面分析配置本文論述輕損限流器應(yīng)用效果。

2.2 配置輕損限流器的應(yīng)用效果

2.2.1 自然過(guò)零熄弧

根據(jù)1.3.2節(jié)中所提到的尋優(yōu)方法，繪制出I′PP、T′OC、ΔP′L1和V′L1隨L1占比變化曲線，如圖8所示。

圖8 三相相間短路時(shí)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)與L1占比關(guān)系

類似地，可以繪出兩相相間短路故障時(shí)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)與L1占比的關(guān)系曲線，如圖9所示，其中陰影區(qū)為L(zhǎng)1占比的最佳取值范圍。

圖9 兩相相間短路時(shí)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)與L1占比關(guān)系

綜合圖8和圖9，并盡量降低使正常時(shí)運(yùn)行損耗，將ψo(hù)pt確定為0.5。

將無(wú)限流措施、采取常規(guī)無(wú)損限流器和輕損限流器(ψo(hù)pt為0.5)，在發(fā)生三相相間短路故障時(shí)，分別對(duì)短路電流峰值抑制效果對(duì)比，如圖10所示。

圖10 自然過(guò)零熄弧條件下三相相間短路的電流抑制效果(ψo(hù)pt=0.5)

由圖10可見(jiàn)，相比常規(guī)無(wú)損限流器，各種故障相角下輕損限流器對(duì)短路電流峰值抑制效果的改善更明顯，但仍未達(dá)到所希望的短路電流峰值限制要求。

發(fā)生兩相相間短路故障時(shí)的情況也類似，如圖11所示。為了進(jìn)一步使短路電流峰值達(dá)到所希望的限制要求，接下來(lái)分析對(duì)開(kāi)關(guān)S采取人工過(guò)零熄弧情形。

圖11 自然過(guò)零熄弧條件下兩相相間短路的電流抑制效果(ψo(hù)pt=0.5)

2.2.2 人工過(guò)零熄弧

根據(jù)1.3.2所提到的尋優(yōu)方法，繪制出I′PP、T′OC、ΔP′L1和V′L1隨L1占比變化曲線，如圖12所示。

圖12 三相相間短路時(shí)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)與L1占比關(guān)系

由圖12可見(jiàn)，在發(fā)生三相相間短路故障時(shí)，隨著L1占比的增大，由式(7)可得V′L1的降低幅度不超過(guò)額定電壓的0.14%(ΔVL1的最大變化幅值為131 V，額定電壓為10 kV)，而I′PP、T′OC和ΔP′L1的變化幅值較大。整體考慮各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，可將圖中陰影部分作為L(zhǎng)1占比的最佳取值范圍。

類似地，繪制出兩相相間短路時(shí)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)與L1占比的關(guān)系曲線，如圖13所示，其中陰影區(qū)為L(zhǎng)1占比的最佳取值范圍。

圖13 兩相相間短路時(shí)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)與L1占比關(guān)系

綜合圖12和圖13，并考慮使正常運(yùn)行的附加損耗降低，將ψo(hù)pt確定為0.4。。

將無(wú)限流措施與分別采取自然過(guò)零熄弧方式(ψo(hù)pt為0.5)和人工過(guò)零熄弧方式(ψo(hù)pt為0.4)的輕損限流器，在發(fā)生三相相間短路故障情形下分別對(duì)短路電流峰值抑制效果進(jìn)行對(duì)比，如圖14所示。

圖14 人工過(guò)零熄弧條件下三相相間短路的電流抑制效果

由圖14可見(jiàn)，相較于應(yīng)用自然過(guò)零熄弧方式，在發(fā)生三相相間短路時(shí)，人工過(guò)零熄弧方式對(duì)短路電流峰值抑制效果更好。并且，人工過(guò)零熄弧方式在正常運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生附加損耗和電壓降更小。

兩相相間短路故障也存在有類似的情況，如圖15所示。

圖15 人工過(guò)零熄弧條件下兩相相間的短路電流抑制效果

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)無(wú)論采用自然過(guò)零熄弧方式還是人工過(guò)零熄弧方式，常規(guī)無(wú)損限流器都不能保證在所有故障相角下都能有效抑制短路電流的最大值，因此最大短路電流有時(shí)仍很大;

(2)無(wú)論采用自然過(guò)零熄弧方式還是人工過(guò)零熄弧方式，在各種故障相角下，所提出的輕損限流器對(duì)最大短路電流的抑制效果均顯著優(yōu)于常規(guī)無(wú)損限流器;

(3)兼顧所建立的最大短路電流峰值、超過(guò)允許最大短路電流峰值的持續(xù)時(shí)間、附加損耗和附加電壓降這四個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以確定限流電抗器L中L1占比的最佳取值。對(duì)于采用ψo(hù)pt的輕損限流器，人工過(guò)零熄弧方式的最大短路電流的抑制效果略優(yōu)于自然過(guò)零熄弧方式。