節(jié)能型故障限流器的應用研究

劉海波　王　浩　劉樹楓　吳　剛　李聰革

（1. 國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司，呼和浩特　010020；2. 國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司赤峰供電公司，內(nèi)蒙古 赤峰　024000；3. 四方華能電網(wǎng)控制系統(tǒng)有限公司，北京　100085）

隨著電力系統(tǒng)裝機容量的增加，系統(tǒng)的短路電流值逐年上升并呈現(xiàn)超出標準的趨勢。短路電流在導體中產(chǎn)生熱效應，損害電氣設備和絕緣，一旦超過斷路器遮斷能力，影響斷路器切除故障，就會造成事故擴大，還會引起導體變形、通信干擾、電壓下降、系統(tǒng)失穩(wěn)等一系列問題，威脅系統(tǒng)安全。必須將其限制在允許裕度內(nèi)，避免不良影響[1-2]。

在輸電線路上裝設故障限流器（fault current limiter, FCL）可以有效地限制短路故障時的短路電流值。近半個世紀以來，F(xiàn)CL的實現(xiàn)方法有所不同，主要有超導型、電力電子型和串聯(lián)諧振型等。超導型技術(shù)還不成熟、投資成本高，還未實用；電力電子型動作速度快、可控性好，但造價高、穩(wěn)定性差；串聯(lián)諧振型的主要問題是造價高、控制維護比較復雜。在目前的電網(wǎng)系統(tǒng)中，由于節(jié)約投資等原因，裝設限流電抗器是限制短路電流最常用的手段。傳統(tǒng)的限流電抗器利用無導磁材料的空心線圈作為其核心裝置，系統(tǒng)正常運行時限流電抗器也串聯(lián)在系統(tǒng)中，只在發(fā)生短路時起限流作用。由于電抗器本身的特性，在發(fā)生短路故障時，對維持母線殘壓、減小母線電壓波動、提高線路運行穩(wěn)定性有積極作用。但限流電抗器長期串接于線路，產(chǎn)生巨大的有功損耗[3]、影響供電質(zhì)量、產(chǎn)生電磁污染，隨著電網(wǎng)發(fā)展已不能滿足現(xiàn)代電網(wǎng)的環(huán)保節(jié)能需求。本文結(jié)合快速開關(guān)技術(shù)，提出了一種改進的節(jié)能型故障限流器。

1　節(jié)能型故障限流器的結(jié)構(gòu)、原理和特點

節(jié)能型故障限流器在原有的結(jié)構(gòu)上增加一個快速開關(guān)裝置。基本拓撲結(jié)構(gòu)由限流電抗器和換流器（智能開關(guān)及其控制）組成[4]，如圖1所示。

圖1　節(jié)能型故障限流器原始拓撲結(jié)構(gòu)

該型故障限流器實現(xiàn)了故障時投入，正常不投入的節(jié)能效果，但沒有考慮到以電感材料作為限流器件時，由于電感本身特性，電流從開關(guān)轉(zhuǎn)移到限流電感的過程中，電感兩端可能會產(chǎn)生過電壓，對故障限流器的安全造成威脅，還會對系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊。

考慮到原有節(jié)能型故障限流器的局限，本文增加對過電壓問題的解決方案，同時采用基于渦流驅(qū)動原理的電磁斥力開關(guān)優(yōu)化投切性能，提出的節(jié)能型故障限流器拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　改進節(jié)能型故障限流器拓撲結(jié)構(gòu)

圖2虛線框內(nèi)為新型節(jié)能型故障限流器裝置，各部件功能如下。

限流電抗器：限流電感裝置。系統(tǒng)正常運行時被短接；發(fā)生短路故障時接入電短路回路，限制短路電流。

過電壓保護裝置：主要由金屬氧化物避雷器構(gòu)成。使用該裝置保護限流裝置和開關(guān)設備免受過電壓損害。

快速開關(guān)：由真空滅弧室和電磁斥力結(jié)構(gòu)組成的快速開關(guān)。系統(tǒng)正常運行時，開關(guān)閉合；系統(tǒng)短路故障時收到控制器分閘信號，在極短時間內(nèi)跳開。

電流采集器：監(jiān)測線路電流的變化情況。

控制器：控制快速開關(guān)。當電流采集器收集的系統(tǒng)電流值超出設定時，控制器通過計算預測三相電流過零點的準確時刻，在過零前及時發(fā)出分閘信號；切除故障后，控制器還能自動檢測母線電壓回升，向快速開關(guān)發(fā)出合閘信號。

基于節(jié)能型故障限流器的結(jié)構(gòu)分析，可以對其工作原理描述如下：系統(tǒng)正常工作時，快速開關(guān)呈閉合態(tài)，工作電流僅通過快速開關(guān)線路，電抗器中無損耗。系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，電流采集器檢測系統(tǒng)電流值越限，故障信息被傳送至控制器；控制器迅速預測三相電流過零點的準確時刻，并在過零前發(fā)出分閘信號，使開關(guān)分閘；快速開關(guān)收到分閘信號后，在電流接近過零點時斷開各相，從而使限流電抗器接入短路回路，限制故障電流。切除故障后，控制器自動檢測到母線電壓回升，向快速開關(guān)發(fā)送合閘信號，快速開關(guān)合閘，限流電抗器再次短接，系統(tǒng)恢復正常運行。

這種節(jié)能型故障限流器的特點是：

1）動作速度快。經(jīng)試驗測定，快速開關(guān)的分閘時間可以控制在 5ms以內(nèi)，系統(tǒng)發(fā)生短路故障后10ms左右能將短路電流開斷，確保開關(guān)觸頭在電流過零點前分開，有效縮短燃弧時間，保證限流電抗器在故障時能迅速接入短路回路。

2）動作分散度小。新型限流電抗器采用快速渦流驅(qū)動的新型電磁斥力開關(guān)，合閘時間減少至10ms內(nèi)，合閘動作分散度不超過0.1ms。

3）開斷容量大。由于采用了精確控制的電流過零點開斷技術(shù)，三相均為臨界過零開斷動作，縮短燃弧時間差，這使快速開關(guān)的開斷容量大幅增加，電壓開斷能力達 80kV以上。此外，燃弧量降低進一步減小觸頭燒灼損傷，延長了快速開關(guān)的使用壽命。

4）節(jié)能效果好。新型節(jié)能型限流電抗器在系統(tǒng)正常運行時無損耗且不需要安裝散熱設備，減少成本[5-7]。

2　關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1　電流過零開斷

故障限流器的主要作用是提高斷路器的開斷能力，電力系統(tǒng)中的斷路器開斷電路時間一般是在短路故障發(fā)生后的第2～3個工頻周波后。理想的故障限流器是在故障發(fā)生后的第一個峰值內(nèi)完成限流，而實際上只要在斷路器開斷電流之前完成限流即可。本文針對快速真空開關(guān)的電流過零點開斷方案即采用這種原理，電流過零點開斷方案限流特性曲線如圖3所示。

圖3　工頻過零點電流開斷方案限流特性示意

由圖 3中可見，t1時刻系統(tǒng)發(fā)生短路故障電流增大，控制器迅速計算預測各相電流過零點的準確時刻，快速開關(guān)的觸頭在電流過零前的臨界時間（圖示t2時刻）分開，電弧在電流零點處（圖示t3時刻）熄滅。故障電流流通路徑轉(zhuǎn)移至限流電抗器，則故障限流器投入到短路回路，發(fā)揮限制短路電流的作用。

采用過零點電流開斷方案具有明顯的優(yōu)勢：①燃弧量降低90%，開斷容量提高，觸頭燒灼程度減弱，開關(guān)的使用壽命明顯延長；②快速開關(guān)真空滅弧室的電弧會在第一個工頻電流零點處熄滅，從而使短路電流轉(zhuǎn)移難度大幅降低；③開斷時間由傳統(tǒng)方法的“從故障發(fā)生到故障電流第一個峰值之前”變?yōu)椤皬墓收习l(fā)生到第一個電流零點之前”，故障電流識別和開關(guān)動作的總時間更富余，從而降低對開關(guān)動作的時間要求。

2.2　快速開關(guān)裝置

傳統(tǒng)的機械開關(guān)動作時滯長、速度慢，無法滿足快速動作需求[8]，采用一種快速響應快速動作的開關(guān)裝置能夠改善限流電抗器性能。本文選取基于快速渦流驅(qū)動技術(shù)的新型電磁斥力開關(guān)。

電磁斥力開關(guān)是基于渦流驅(qū)動原理動作的一種快速開關(guān)，主要由金屬斥力盤、充放電回路、分合閘線圈、保持裝置和真空滅弧室等構(gòu)成[9]。

其工作原理是，利用充電后的儲能電容進行放電，為分合閘線圈通電，產(chǎn)生脈沖電流，金屬斥力盤中因感應出渦流而產(chǎn)生電磁力，金屬盤帶動傳動桿運動，使動觸頭與靜觸頭接觸或分離，從而達到開斷電流的目的。

2.3　過電壓問題

故障限流器采用電感元件限流，由于電感本身的特性，電流從開關(guān)轉(zhuǎn)移到限流電感的過程中，電感兩端可能會產(chǎn)生過電壓，對故障限流器的安全造成威脅，并對系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊。

對于過電壓問題，采用并聯(lián)氧化鋅（ZnO）避雷器組件的方法來解決[10]。正常運行時，快速開關(guān)閉合，ZnO組件兩端電壓低于門檻電壓值，ZnO不起作用；短路故障發(fā)生后，短路電流逐漸增大，ZnO組件端電壓也逐漸大于門檻電壓值，ZnO組件導通，將限流電感兩端的電壓限制在較低的水平，避免限流電感和快速開關(guān)受過電壓的沖擊傷害。

3　限流效果仿真

為驗證安裝節(jié)能型故障限流器前后，系統(tǒng)中發(fā)生兩相接地短路和三相短路兩種故障時的FCL的限流效果，利用Matlab/Simulink對圖4所示的110kV系統(tǒng)進行不同類型短路故障的仿真分析。

圖4　110kV系統(tǒng)仿真模型

3.1　單相接地短路

以 A相單相接地短路為例，仿真模擬系統(tǒng)在0.3s時S點發(fā)生A相單相接地短路故障，F(xiàn)CL接入前后A相母線電壓、電流的仿真結(jié)果分別如圖5、圖6所示。

無FCL接入。系統(tǒng)發(fā)生BC兩相接地短路故障后，變壓器T1二次側(cè)A相母線電壓、電流變化情況如圖 5（a）、（b）所示：電壓跌落至 38.6kV；短路電流第一個峰值達到 3.3kA，隨后穩(wěn)定在 2.1kA左右。

圖5　單相接地短路無FCL接入時的仿真波形圖

圖6　單相接地短路有FCL接入時的仿真波形圖

有FCL接入。故障限流器在0.31s時接入短路回路，變壓器T1二次側(cè)A相母線電壓、電流變化情況如圖6（a）、（b）所示：與無FCL接入時相比，跌落后電壓升至62.3kV，提升幅度約61.4%；短路電流第一個峰值為 3.3kA，隨后短路電流穩(wěn)定在1.2kA，下降約42.9%。

3.2　兩相接地短路

以BC兩相接地短路為例，仿真模擬系統(tǒng)在0.3s時S點發(fā)生BC兩相接地短路故障，F(xiàn)CL接入前后A相母線電壓、電流的仿真結(jié)果分別如圖7、圖8所示。

圖7　兩相接地短路無FCL接入時的仿真波形圖

1）無FCL接入。系統(tǒng)發(fā)生BC兩相接地短路故障后，變壓器T1二次側(cè)A相母線電壓變化情況如圖7（a）、圖7（b）所示：電壓跌落至37.5kV；短路電流第一個峰值達到3.4kA，隨后穩(wěn)定在2.2kA左右。

圖8　兩相接地短路有FCL接入時的仿真波形圖

2）有FCL接入。故障限流器在0.31s時接入短路回路，變壓器T1二次側(cè)A相母線電壓、電流變化情況如圖8（a）、（b）所示：與無FCL接入時相比，跌落后電壓升至58.5kV，提升幅度約56%；短路電流第一個峰值為 3.4kA，隨后短路短路電流穩(wěn)定在1.2kA，下降約45.5%。

3.3　三相短路

三相短路時三相對稱，以A相結(jié)果為例分析。0.3s時S點發(fā)生三相短路故障，有無FCL接入時的A相母線電壓、電流仿真結(jié)果分別如圖9、圖10所示。

1）無 FCL接入。系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障后，變壓器T1二次側(cè)A相母線電壓變化情況如圖9（a）、（b）所示：電壓跌落至 21.5kV；短路電流第一個峰值達到3.2kA，隨后穩(wěn)定在2.0kA左右。

2）有FCL接入。故障限流器在0.31s接入系統(tǒng)，變壓器T1二次側(cè)A相母線電壓、電流變化情況如圖10（a）、圖10（b）所示：與無FCL接入時相比，跌落后電壓升至41.9kV，提升幅度約94.9%；短路電流第一個峰值為 3.2kA，隨后短路短路電流穩(wěn)定在1.1kA，下降約45%。

圖9　三相短路無FCL接入時的仿真波形圖

圖10　三相短路有FCL接入時的仿真波形圖

以上仿真結(jié)果表明，節(jié)能型故障限流器可以有效抑制短路故障發(fā)生時的電壓降落和短路電流過大的問題。

4　經(jīng)濟性評價

計算不同電抗率下傳統(tǒng)故障限流器的有功無功損耗折算損失金額，來評估節(jié)能型故障限流器的具體節(jié)能效果。

設置參數(shù)為：額定電壓 U=10kV，額定電流 I=1500A。以電抗率8%為例，平均工業(yè)企業(yè)電價為0.5元/kW·h，損耗損失計算方式如下：

單相損耗（銅耗）： P = 9 .1kW 。

單相功率： ΔP= P +0 .1S= 7 8.46kW。

全年損耗時間： H = 3 60×24 =8 640h。

利用系數(shù)：β=0.75。

每臺電抗器一年耗電量：W=3ΔP×β×H=3× 78.46×0.75×8 640 =1 52.53萬kW·h。

全年有功損失：0.5×1 52.53 =7 6.27萬元。

加裝電抗器后，每相電抗器的電感壓降為ΔU = ZkI = 0 .31×1 500A = 465V 。

線電壓：3× 4 65 =8 04V。

母線電壓降低0.05kV。

功率因數(shù)取0.9。

因加裝電抗器使實際送出負荷減少：3×0.05×1500×0 .9 = 1 16.78kW。

利用系數(shù)： β = 0 .75。

每年實際少送出負荷為116.78× 8640× 0.75= 75.67萬 kW·h。

全年無功損失：0.5×7 5.67 = 3 7.83萬元。

以此方法計算出10%、12%、14%電抗率下傳統(tǒng)限流電抗器每年造成的經(jīng)濟損失，計算結(jié)果見表1。

表1　傳統(tǒng)限流器電抗器經(jīng)濟損失

新型節(jié)能型故障限流器可以有效避免傳統(tǒng)電抗器由于長期串聯(lián)帶來的上述損失，從表1可以看出，節(jié)能型故障限流器的節(jié)能效果好，經(jīng)濟效益明顯，隨著電抗率的增加，節(jié)能效果更加顯著。

5　結(jié)論

隨著電網(wǎng)的發(fā)展，傳統(tǒng)故障限流器仍存在很多問題，其中能耗大最為突出。為此，本文提出了一種利用快速開關(guān)等技術(shù)改進的故障限流器，其節(jié)能效果顯著。這種限流器在原有的故障限流器的基礎上增加了部分結(jié)構(gòu)，而不用對原有的故障限流器進行拆除。這種故障限流器對電流過零開斷進行了改進，同時并聯(lián)ZnO解決了過電壓問題。其中運用了快速開關(guān)，又使這種構(gòu)想成為了現(xiàn)實。利用Matlab/Simulink對節(jié)能型故障限流器的限流效果進行仿真分析，并對其的節(jié)能效果進行計算，均滿足理論預期。