兼顧最大短路電流抑制和運行損耗的限流技術

劉健，劉飛，張志華

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

0 引 言

我國變壓器采取“大容量、少布點”規(guī)劃設計理念，隨著電網(wǎng)互聯(lián)的不斷密切，短路電流超標問題日益嚴重，不僅威脅到變壓器、斷路器、母線和其他電氣設備的安全，往往也會引起電壓暫降問題，影響敏感負荷的用電連續(xù)性。為保障電網(wǎng)的安全、可靠與穩(wěn)定運行，須采取經(jīng)濟有效的短路電流限制措施。

針對短路電流超標的問題，目前已取得大量研究成果。文獻[1]介紹了串聯(lián)諧振限流器、飽和鐵芯限流器、超導限流器和固態(tài)限流器的發(fā)展現(xiàn)狀及技術特點，并分析了影響限流器進入電力市場的制約因素。文獻[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]、超導限流器[6-7]和固態(tài)限流器[8-9]的相關原理與應用。文獻[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功能的故障電流限制裝置，在故障時快速限制短路電流，在系統(tǒng)正常運行時也可提高傳輸能力，從故障限流的角度看仍是一種固態(tài)限流器。文獻[11]論述了超導限流器的參數(shù)優(yōu)化問題。文獻[12]介紹了相比現(xiàn)有的限流運行措施，從長遠來看通過直流背靠背異步互聯(lián)限制短路電流是可行的解決辦法。

應用快速開關與限流電抗器配合實現(xiàn)無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用成果。文獻[13]給出了一種新型的基于快速開關的故障電流限制器，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)濟性和可靠性等方面具有結(jié)構(gòu)簡單、響應速度快和無運行損耗的優(yōu)勢。文獻[14]研究了短路故障的快速識別技術和短路電流過零點預測算法的改進，將該技術應用到快速開關型故障限流器的開斷中，提高開關的動作響應時間，并且提高開關使用壽命和開斷能力。

但是，基于快速開關與限流電抗器配合的無損限流裝置在應用中仍存在一些問題，文獻[15]指出的這類裝置仍不能確保在所有故障相角下都能實現(xiàn)“首波開斷”，從而不能有效抑制短路電流最大值(有時出現(xiàn)在第一個波峰、有時出現(xiàn)在第二個波峰)對設備的沖擊傷害。

為了解決常規(guī)無損限流器在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，從而不能有效防護短路電流沖擊傷害的問題，本文提出了一種快速開關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行損耗的輕損限流技術，該限流技術既能解決常規(guī)無損限流器存在問題，又能在一定程度上使電網(wǎng)在正常運行時產(chǎn)生附加損耗最小。

為了研究輕損限流技術的限流特性，本文展開了以下幾個方面研究：首先介紹常規(guī)無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關并聯(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；然后通過典型案例對比分析了發(fā)生三相相間短路故障和兩相相間短路故障后，常規(guī)無損限流器和輕損限流器分別應用自然過零熄弧和人工過零熄弧技術的限流特性；最后對得到的仿真結(jié)果進行總結(jié)分析。

1 基本原理

1.1 常規(guī)無損限流器

常規(guī)無損限流器由限流電抗器L和機械快速開關S并聯(lián)以及控制器C構(gòu)成，如圖1(a)所示。

圖1 常規(guī)無損限流器(a)和輕損限流器(b)的構(gòu)成

正常運行時，開關S處于閉合狀態(tài)，將電抗器L旁路，因此無附加損耗和電壓降；發(fā)生短路故障后，控制器C迅速檢測到故障后控制開關S快速斷開，將電抗器L投入實現(xiàn)限流。

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

機械快速開關一般采用斥力操動機構(gòu)，其動作時間一般可在Δt2=0.8 ms～1.5 ms之內(nèi)完成觸頭分斷，但是由于分斷時存在電弧，在電流過零點才能熄弧實現(xiàn)真正意義的分斷[17]。

綜上所述，從短路故障發(fā)生到開關S真正分斷使限流電抗器L投入的延時時間ΔT為:

ΔT=Δt1+Δt2+Δt3

(1)

式中 Δt3為觸頭分斷到電流過零點的時間。Δt1和Δt2主要取決于控制器和開關的性能，而Δt3卻與故障相角有關，在不利的故障相角下有可能在開關S真正分斷使限流電抗器L投入之前，已經(jīng)經(jīng)歷了短路電流的峰值，對設備已經(jīng)造成了損害。

上述熄弧過程稱為“自然過零熄弧”，一些制造企業(yè)采用電力電子裝置在開關S的觸頭分斷后立即制造人工電流過零點迫使電弧熄滅，實現(xiàn)限流電抗器L投入，這稱為“人工過零熄弧”。文獻[18]論述了三種主流的人工過零技術，即：自激振蕩法、預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法抑制短路電流峰值的問題。為了解決上述問題，提出一種輕損限流技術。

1.2 輕損限流器

輕損限流器是在常規(guī)無損限流器基礎上，設計一個抽頭將電抗器一分為二(未與快速開關并聯(lián)部分記為L1，與快速開關并聯(lián)部分記為L2)，機械快速開關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的短路電流的峰值，避免了短路故障發(fā)生后，快速開關未能在短路電流第一個波峰到達之前斷開，使短路電流嚴重超標的問題，從而減輕沖擊電流對設備造成的傷害。

但是，在正常運行時，由于L1仍串聯(lián)在線路中，會產(chǎn)生一定的損耗和電壓降。

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

1.3 L1的最佳比例

1.3.1 評價指標

為了獲得L1的最佳比例ψopt，需要引入一組評價指標：

1)最大短路電流峰值。

最大短路電流峰值IPP是指：故障時在不利故障相角下，流過各個相別的短路電流峰值的最大值。

(2)超過允許最大短路電流峰值的持續(xù)時間。

超過允許最大短路電流峰值的持續(xù)時間TOC是指：故障時在不利故障相角下，流過各個相別的短路電流峰值超過允許最大短路電流峰值的最長持續(xù)時間。

假設期望將短路電流的有效值限制在Imax,e以下，則故障時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：正常運行時，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：正常運行時，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設置)。

以L1的不同占比為橫坐標，分別按式(4)～式(8)對IPP、TOC、ΔPL1和ΔVL1進行歸一化處理，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。綜合考慮各項評價指標，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和超過允許最大短路電流峰值的持續(xù)時間TOC難以解析地表達出來，需基于仿真軟件PSCAD平臺進行數(shù)字仿真獲得。

附加損耗ΔPL1和附加電壓降ΔVL1可以解析計算得出。

1.3.3 基于PSCAD的數(shù)字仿真

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

圖2 輕損限流仿真電路

在圖2中：將電源側(cè)等效為一個無窮大功率系統(tǒng)，其阻抗為ZS；P和Q分別為負荷側(cè)有功功率和無功功率；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)

仿真時三相開關采用獨立分斷控制，僅以控制開關S的A相觸頭分斷過程為例加以說明：

開關S的B相和C相觸頭的分斷過程控制與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超標達到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械快速開關并聯(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景。首先分析安裝常規(guī)無損限流器時的應用效果。

2.1 配置常規(guī)無損限流器的應用效果

對于開關S采取自然過零熄弧的情形，在發(fā)生三相相間短路故障時，配置常規(guī)無損限流器和無限流措施時，短路電流峰值與故障相角(A相)的關系如圖4所示。

圖4 三相相間短路的電流峰值與故障相角的關系

由圖4可見，應用常規(guī)無損限流器對短路電流峰值具有抑制作用，但是當故障相角為46.8°、104.4°和165.6°附近，對短路電流峰值的抑制作用并不明顯，仍然遠遠超過所希望水平。這主要是由于故障發(fā)生后，故障檢測Δt1和開關動作Δt2都需要一定延時，并且需在電流過零點才能真正開斷，造成沖擊電流峰值不能及時抑制。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，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系

由圖5可見，在故障相角18°～75.6°內(nèi)，應用常規(guī)無損限流器對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°對短路電流峰值抑制效果最好，而在其它故障相角下，對短路電流峰值抑制作用不大。

對于開關S采取人工過零熄弧的情形，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系

由圖6可見，應用人工過零熄弧技術后，對各個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，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系

下面分析配置本文論述輕損限流器應用效果。

2.2 配置輕損限流器的應用效果

2.2.1 自然過零熄弧

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 三相相間短路時各項評價指標與L1占比關系

類似地，可以繪出兩相相間短路故障時各項評價指標與L1占比的關系曲線，如圖9所示，其中陰影區(qū)為L1占比的最佳取值范圍。

圖9 兩相相間短路時各項評價指標與L1占比關系

綜合圖8和圖9，并盡量降低使正常時運行損耗，將ψopt確定為0.5。

將無限流措施、采取常規(guī)無損限流器和輕損限流器(ψopt為0.5)，在發(fā)生三相相間短路故障時，分別對短路電流峰值抑制效果對比，如圖10所示。

圖10 自然過零熄弧條件下三相相間短路的電流抑制效果(ψopt=0.5)

由圖10可見，相比常規(guī)無損限流器，各種故障相角下輕損限流器對短路電流峰值抑制效果的改善更明顯，但仍未達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的情況也類似，如圖11所示。為了進一步使短路電流峰值達到所希望的限制要求，接下來分析對開關S采取人工過零熄弧情形。

圖11 自然過零熄弧條件下兩相相間短路的電流抑制效果(ψopt=0.5)

2.2.2 人工過零熄弧

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 三相相間短路時各項評價指標與L1占比關系

由圖12可見，在發(fā)生三相相間短路故障時，隨著L1占比的增大，由式(7)可得V′L1的降低幅度不超過額定電壓的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。整體考慮各個評價指標，可將圖中陰影部分作為L1占比的最佳取值范圍。

類似地，繪制出兩相相間短路時各項評價指標與L1占比的關系曲線，如圖13所示，其中陰影區(qū)為L1占比的最佳取值范圍。

圖13 兩相相間短路時各項評價指標與L1占比關系

綜合圖12和圖13，并考慮使正常運行的附加損耗降低，將ψopt確定為0.4。。

將無限流措施與分別采取自然過零熄弧方式(ψopt為0.5)和人工過零熄弧方式(ψopt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短路電流峰值抑制效果進行對比，如圖14所示。

圖14 人工過零熄弧條件下三相相間短路的電流抑制效果

由圖14可見，相較于應用自然過零熄弧方式，在發(fā)生三相相間短路時，人工過零熄弧方式對短路電流峰值抑制效果更好。并且，人工過零熄弧方式在正常運行時產(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 人工過零熄弧條件下兩相相間的短路電流抑制效果

3 結(jié)束語

(1)無論采用自然過零熄弧方式還是人工過零熄弧方式，常規(guī)無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仍很大;

(2)無論采用自然過零熄弧方式還是人工過零熄弧方式，在各種故障相角下，所提出的輕損限流器對最大短路電流的抑制效果均顯著優(yōu)于常規(guī)無損限流器;

(3)兼顧所建立的最大短路電流峰值、超過允許最大短路電流峰值的持續(xù)時間、附加損耗和附加電壓降這四個評價指標，可以確定限流電抗器L中L1占比的最佳取值。對于采用ψopt的輕損限流器，人工過零熄弧方式的最大短路電流的抑制效果略優(yōu)于自然過零熄弧方式。