500 kV限流器接入對廣東電網潮流分布影響分析

楊帆，張旭，葉其革

(廣州電力設計院有限公司，廣東 廣州510075)

0 引言

隨著珠三角經濟的飛速發展，廣東電網中珠三角電網的互聯緊密，樞紐站數量眾多，電廠、變電站出線較多，加深了電網結構的復雜程度，短路電流水平加劇[1－2]。尤其是近年來，廣東電網的裝機容量和500 kV網架建設都高速發展，電網結構的加強滿足了廣東電網負荷增長和可靠性供電的需求，但同時也帶來了珠三角地區500 kV電網短路容量的穩步增長。500 kV電網全接線條件下，短路電流水平超過60 kA的站點有10個，超過63 kA的有3個，平均短路電流水平42·4 kA[3]。盡管部分方式下可以通過調整電網結構來降低短路電流水平，但也降低了電網運行安全裕度。在不改變電網結構的情況下，壓減電源開機和出力也是降低短路電流水平的措施之一，受此影響近兩年惠蓄電站在夏季迎峰度夏期間不能全開機運行，無法完全發揮其調峰作用。

電力系統發生短路故障時，通常會以斷路器開斷線路的方式來應對。但隨著電網規模的擴大，短路電流的急劇增加，許多地區電網均有斷路器難以開斷的潛在隱患。目前我國能夠批量生產應用的500 kV斷路器的最大開斷容量為63 kA，較為經濟實用的真空斷路器的開斷能力均在50 kA以下，當短路電流大于最大開斷電流時，線路中會因電弧的作用而使得斷路器無法正常工作。因此，短路容量的急劇增加已成為電網安全、穩定運行的嚴重隱患和亟待解決的關鍵技術難題之一[4－5]。

為了限制短路電流而又不增大系統阻抗，20世紀70年代初John C·Cronin就提到了故障電流限制器(Fault Current Limiter，FCL)[6]。經過30多年的發展，特別是近幾年隨著大功率半導體器件、高溫超導技術以及微電子控制技術等的發展，涌現出了各種類型的故障限流器[7－8]，不同故障限流器的具體工作機理各不相同，但最基本的限流原理一樣:都是在系統正常運行條件下對外不呈現阻抗，當系統發生短路故障時迅速串入系統網絡中，呈現高阻抗狀態以起到限制短路電流的作用。針對高壓及超高壓電壓等級、90 kA級別短路電流的應用場景，基于高耦合分裂電抗器(High Coupled Split Reactor，HCSR)[9]的 限 流 器 在110 kV、220 kV、500 kV電壓等級有著良好的應用前景。根據廣東電網2021年規劃方案，廣東電網將在廣南站建設基于HCSR的500 kV限流器示范工程，該示范工程可抑制短路電流90 kA，限流幅度達40%及以上，穩態運行損耗≤0·02%，成為世界上首個500 kV/90 kA限流器示范工程[10]。

基于高耦合電抗型的500 kV/90 kA限流器裝設在線路上后，會對廣東電網整個系統的潮流分布造成一定的影響。以廣南站500 kV/90 kA限流器示范工程為背景，利用BPA[10]仿真軟件研究在500 kV限流器接入(10 ms/20 ms啟動)后，限流器接入后對系統潮流分布的影響進行了仿真研究，主要包括耦合系數對無功潮流的影響。

1 500 kV限流器工作原理

基于高耦合度分裂電抗器工作原理接線如圖1所示。

圖1 基于HCSR的并聯型斷路器原理圖

高耦合電抗器HCSR由相互耦合的兩個線圈組成，兩個線圈一端短接，另一端分別連接相互并聯的斷路器，形成兩個相互并聯的支路[11－12]。當兩個支路都有電流通過時，兩個線圈產生的磁通在公共磁路內相互抵消，使得線圈對外只表現出很小的漏電感；而當兩個支路電流不均衡或只有單個支路通流的情況下，線圈產生的磁通較大，對應的電感線圈對外表現為較大的電感，可限制對應支路的故障電流。由于耦合線圈的上述作用，基于HCSR的并聯型斷路器能夠實現并聯斷路器的自動均流、限流，從而有效提高斷路器的載流、開斷能力。

由于基于HCSR的限流器拓撲均采用快速開關，而單個快速開關難以滿足暫態恢復電壓要求，因此考慮通過多個限流器模塊串聯來降低對單個快速開關的開斷能力要求[13]。如圖2所示，采用兩個限流器模塊串聯，每個HCSR的單臂電感為4 mH，耦合系數均為0·97，快速開關共有4個。

圖2 兩個模塊串聯的限流器改進拓撲示意圖

對于三相接地短路和三相不接地短路故障，根據已有的研究結果，兩個相同限流器串聯的限流效果與采用一個單臂電感8 mH的HCSR完全相同。目前所給模型的單個限流器的單臂限流電感為4 mH，耦合系數為0·97，均流情況下HCSR的漏電感為(1－0·97)/2×4 mH＝0·06 mH，對應的等效阻抗約為0·018 85 Ω；限流情況下HCSR單臂電感為4 mH，對應的等效阻抗約為1·256 6 Ω?？紤]到兩個限流器串聯工作，因此在正常工作中，均流情況下，HCSR的漏電感為0·12 mH，對應的等效阻抗約為0·037 7 Ω；而在限流情況下，HCSR單臂電感為8 mH，對應的等效阻抗為2·513 2 Ω。

基于HCSR的并聯型斷路器在動作之前，HCSR起到均流作用，保證兩并聯支路電流基本相同，此時HCSR對外表現為漏電感，在分析HCSR對繼保的影響時，需要考慮HCSR漏電抗對電網中各個電氣量的影響。而HCSR的耦合系數很高，對應的漏電感很小，在耦合系數為0·97的情況下，單臂電感為4 mH的HCSR的漏電感僅為0·06 mH(等效阻抗約為0·018 85 Ω)。因此，在成套裝置動作之前，HCSR的等效阻抗與線路阻抗相比很小。

風險事件后果嚴重性可通過事故情景構建和事故演化過程分析，采用問卷調查的方式讓專家或一線工作人員結合自身風險管理經驗從人員傷亡、直接經濟損失、環境損失等多個角度進行評估.

2 基于BPA的限流器等效模型

在BPA軟件中，沒有限流器模型。為此，需要設計對應的等效電路以代替限流器的動作。限流器工作有兩個階段，分別是均流階段和限流階段。在均流階段，限流器開關不動作，限流器對外表現為漏電抗；在限流階段，限流器開關動作，限流器對外表現為大電抗[14]。

為了體現限流器的特性，同樣設計兩條線路電抗來對實際中的限流器模型進行等效。兩條電抗回路并聯時，其等效電抗等效為漏電抗；當其中一條線路斷開時，其對外電抗為限流器工作電抗。

支路1電抗X1設置為8 mH，等效電抗為:

所安裝線路的基準電壓為500 kV，容量基準為100 MVA，因此可以得到阻抗基準值為XBase＝2 500 Ω，因此，支路1的阻抗標幺值為0·001。

耦合系數為0·97時，支路2與支路1并聯后的等效電抗為0·12 mH，根據并聯公式，應滿足如下關系:

式中，X1、X2分別為支路1、支路2的電抗，XA為等效電抗。

根據上述公式，可以求解得到支路2的電抗為:

根據基準值，可以得到支路2對應的電抗標幺值為0·000 015 3。

在均流階段，兩條線路均接入電路，對外表現為漏電抗；在限流階段，第二條并聯線路斷開，第一條線路不進行任何操作，此時線路對外表現出大電抗。

500 kV順德—廣南限流電抗器工程2021水平年及系統方式下，流過限流器的短路電流水平計算結果見表1。從表1可見，當不考慮限流器單元連接處發生接地故障時，接入限流電抗器后，單相接地線路短路電流水平由未接限流電抗器的90 kA水平降低至49·6 kA，限制水平超過了40%；最大峰值電流限制到119·1 kA。

表1 流經500 kV順德—廣南限流電抗器的短路電流 kA

3 500 kV限流器接入對廣東電網潮流的影響分析

廣南站500 kV/90 kA限流器示范工程限流電抗器安裝在廣南—順德甲線廣南站內，廣南站及周邊電網潮流分布如圖3所示。

圖3 廣南站及周邊電網潮流分布

在正常情況下，將加裝限流器前后的潮流分布情況進行比對，以網損作為對比分析對象。表2為耦合度為0·97的網損結果。從表2中不難發現，系統處于正常工作狀態時，限流器不會對電網的正常運行造成影響，僅僅會增加很小一部分的無功網損。

表2 耦合度為0.97的網損結果對比

進一步對不同耦合度限流器接入電網對潮流造成的影響進行分析，分別給出耦合系數為0·95和0·90情況下的系統潮流分布，結果見表3—4。

表3 耦合度為0.95的網損結果對比

表4 耦合度為0.90的網損結果對比

當耦合系數為0·95時，單臂電感均流情況下HCSR的漏電感為(1－0·95)/2×4 mH＝0·10 mH，對應的等效阻抗約為0·031 416 Ω，限流情況下HCSR單臂電感為4 mH，對應的等效阻抗約為1·256 6 Ω。兩個限流器串聯在正常工作中均流情況下，HCSR的漏電感為0·20 mH，對應的等效阻抗約為0·062 83 Ω；而在限流情況下，HCSR單臂電感為8 mH，對應的等效阻抗為2·513 2 Ω。

當耦合系數為0·90時，單臂電感均流情況下HCSR的漏電感為(1－0·9)/2×4 mH＝0·20 mH，對應的等效阻抗約為0·062 83 Ω，限流情況下HCSR單臂電感為4 mH，對應的等效阻抗約為1·256 6 Ω。兩個限流器串聯在正常工作中均流情況下，HCSR的漏電感為0·40 mH，對應的等效阻抗約為0·125 66 Ω；而在限流情況下，HCSR單臂電感為8 mH，對應的等效阻抗為2·513 2 Ω。

根據上述仿真結果可知，在加裝限流器前后，電網的無功損耗有所增加，但增加不大；同時由于限流器的接入，導致了部分潮流的轉移，因此系統有功功率的損耗也發生了變化。除此之外，加裝限流器前后，系統中各個節點的電壓幅值和相角并未發生明顯變化，即限流器的安裝并不會對電網正常工作情況下的安全穩定運行造成影響。

4 結論

本文以廣南站500 kV/90 kA限流器示范工程為背景，利用BPA仿真軟件研究在500 kV限流器接入(10 ms/20 ms啟動)后，對系統潮流分布和暫態穩定功角差的影響進行了仿真研究，結果表明:

1)在穩態情況下，由于500 kV限流器的耦合系數較高，對外表現的漏電抗較小，不會影響系統正常工作時的節點電壓。但是其對外表現的漏電抗，仍然可能造成無功損耗的增加。綜合給出的所有仿真結果，無功損耗的增加值通常低于0·5 Mvar。

2)隨著耦合系數的降低，限流器對外呈現的漏電抗越大，會拉低節點的正常工作電壓，同時會增大電網中的無功損耗，因此應盡量提高限流器的耦合系數。