故障限流器對電力系統影響的機理分析

孫守文,哈恒旭,胡希同,杜 強

(1.山東理工大學電氣與電子工程學院,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(河北工業大學),天津 300130)

近年來,電力系統容量逐年增加,電網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.近年來一些電網如廣東電網、華東電網、江蘇電網等,隨著系統容量的擴大和電網結構的增強,高電壓等級線路的最大短路電流已接近或超過設備所能承受的限額,資料表明,三峽電站可能的最大短路電流將會達到300kA,而目前國際上生產的GIS(氣體絕緣組合設備,Gas Insulated Switchgear)僅為100kA的極限容量[1-3].因此,短路電流問題已經非常嚴峻.當前限制短路電流水平常采取調整電網結構、改變系統運行方式、安裝限流保護設備等3種方法來實現[4].其中在電力系統中串入限流電抗器,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用現狀,指出隨著電力電子技術的發展,固態FCL技術愈來愈成熟,目前已在中低壓配電設備中獲得了應用.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暫態模型的基礎上,研究故障限流器對電力系統暫態穩定性影響的機理,進而分析FCL投入后對高壓系統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對電力系統暫態穩定性的影響機理分析

1.1 FCL的簡單等效暫態模型

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

圖1 FCL的簡單等效暫態模型

1.2 故障限流器對電力系統暫態穩定性的影響

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,當系統的出線口一處發生三相短路故障時,對系統的暫態穩定性機理進行分析.

圖2 具有FCL的輸電系統

系統正常運行時:

系統故障,FCL未動作時:

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

圖3 具有FCL的系統功角曲線圖

正常運行時,發電機向無窮大系統輸送的有功功率為Pe=Pm,原動機的輸入功率為Pm,發電機穩定工作點在a點,對應的功角為δ0;發生三相短路瞬間,發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,對應的功角為δf,此時,FCL動作串入線路中,功率特性立即變為PIII,工作點也相應地變化到d點;當工作點沿PIII移動到e點時,故障被切除,功率特性立即變化為PIV,工作點也相應變化到g點,對應的功角為δf,此后工作點將沿 PIV向h點移動.由圖3可以看出,具有FCL的系統加速面積為Sabcdef;而沒有FCL的系統,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的加速面積,達到穩定系統暫態的積極效果,這種做法與通過自動重合閘增加系統減速面積來提高系統穩定性的做法類似,但相對于自動重合閘重合永久故障時會惡化系統暫態穩定性的情況,FCL對提高系統暫態穩定性更為有效實用.

2 故障限流器對距離保護的影響

2.1 傳統距離保護的整定動作特性

當線路發生短路故障時,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,方向圓內的Zm可能落入圓外,方向阻抗繼電器檢測不到圓內的故障從而導致保護失靈.在FCL接入系統之前需要根據相關參數重新整定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

隨著新技術產業的不斷出現,電能質量已越來越被電力企業所關注.其中,電壓跌落問題已被認為是影響許多用電設備正常、安全運行的最主要的動態電能質量問題.對于電壓跌落,國際電工委員會(International Electrotechnical Commission,IEC)所用術語為voltage dip;國際電力電子工程師協會(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)所用術語為 voltage sag.衡量電壓跌落程度的參數主要有2個:電壓跌落幅度和電壓跌落持續時間.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0.5～30個工頻周波.

電壓跌落通常是由供電系統或用戶內部的短路故障引起的,也可能是由于大電動機啟動不當造成[9].例如,當雷擊和絕緣子污閃引起系統短路時,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,嚴重影響電氣設備的正常運行,甚至造成巨大的經濟損失.對于在電網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,發電機的端電壓U 為10kV;系統內電阻Rs為0.3Ψ;系統內電感 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;K2為限流器接入的快速開關.

圖6 FCL對電壓暫降影響的仿真圖

仿真過程:t=0.1s時,開關 K1動作,此時發生單相接地故障;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,當線路發生故障時,若無FCL,則母線端電壓幾乎為0;有FCL時,根據串入線路FCL電感值的不同,母線電壓發生不同程度的跌落,在一定范圍內,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的影響.

4 結束語

通過在FCL暫態模型的基礎上進行的相關分析仿真驗證可知,故障限流器可以通過減少發電機的加速面積,從而提高系統的暫態穩定性.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的電壓跌落.

[1]熊煒,盧宏振.廣東電力系統短路電流水平及限制措施研究[J].貴州工業大學學報:自然科學版,2002,31(5):32-36.

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

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

[4]葉林,林良真.超導故障限流器在電力系統中的應用研究[J].中國電機工程學報,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[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,2010.

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

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

[9]林海雪.電力系統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.可改善電能質量的故障限流器仿真研究[J].電力電子技術,2005,39(5):8-10.