孫守文,哈恒旭,胡希同,杜 強(qiáng)

(1.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,山東 淄博 255091;2.電磁場(chǎng)與電器可靠性省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地(河北工業(yè)大學(xué)),天津 300130)

近年來(lái),電力系統(tǒng)容量逐年增加,電網(wǎng)短路電流水平也日益增大,因此對(duì)斷路器切斷電流的水平提出了更高的要求.近年來(lái)一些電網(wǎng)如廣東電網(wǎng)、華東電網(wǎng)、江蘇電網(wǎng)等,隨著系統(tǒng)容量的擴(kuò)大和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的增強(qiáng),高電壓等級(jí)線路的最大短路電流已接近或超過(guò)設(shè)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(huì)達(dá)到300kA,而目前國(guó)際上生產(chǎn)的GIS(氣體絕緣組合設(shè)備,Gas Insulated Switchgear)僅為100kA的極限容量[1-3].因此,短路電流問(wèn)題已經(jīng)非常嚴(yán)峻.當(dāng)前限制短路電流水平常采取調(diào)整電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、改變系統(tǒng)運(yùn)行方式、安裝限流保護(hù)設(shè)備等3種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)[4].其中在電力系統(tǒng)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(xiàn)[5-7]論述了目前故障限流器的分類及研究應(yīng)用現(xiàn)狀,指出隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,固態(tài)FCL技術(shù)愈來(lái)愈成熟,目前已在中低壓配電設(shè)備中獲得了應(yīng)用.文獻(xiàn)[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(tài)模型的基礎(chǔ)上,研究故障限流器對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性影響的機(jī)理,進(jìn)而分析FCL投入后對(duì)高壓系統(tǒng)距離保護(hù)整定范圍的影響,并利用PSCAD-EMTDC仿真安裝故障限流后對(duì)電壓跌落的影響.

1 FCL對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響機(jī)理分析

1.1 FCL的簡(jiǎn)單等效暫態(tài)模型

在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)和系統(tǒng)發(fā)生短路故障且FCL沒(méi)有投切之前,FCL的等效電感接近于0,近乎對(duì)系統(tǒng)無(wú)影響;系統(tǒng)發(fā)生故障后很短時(shí)間,FCL迅速投入電感進(jìn)行故障限流.在忽略FCL中各元件電磁暫態(tài)過(guò)程的前提下,其簡(jiǎn)單等效暫態(tài)模型如圖1所示.系統(tǒng)正常運(yùn)行和發(fā)生故障而FCL沒(méi)有動(dòng)作之前,開(kāi)關(guān)S一直處于閉合狀態(tài),系統(tǒng)電流通過(guò)短路開(kāi)關(guān);故障發(fā)生后5 ms,開(kāi)關(guān)S斷開(kāi),限流電感 L投入系統(tǒng)進(jìn)行故障限流.

圖1 FCL的簡(jiǎn)單等效暫態(tài)模型

1.2 故障限流器對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)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(tǒng),當(dāng)系統(tǒng)的出線口一處發(fā)生三相短路故障時(shí),對(duì)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性機(jī)理進(jìn)行分析.

圖2 具有FCL的輸電系統(tǒng)

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí):

系統(tǒng)故障,FCL未動(dòng)作時(shí):

系統(tǒng)故障,FCL動(dòng)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(tǒng)在不同情況下的功角關(guān)系,如圖3所示.圖3中,δ0為正常運(yùn)行時(shí)功角;δf為故障發(fā)生時(shí)功角;δb為 FCL投入時(shí)功角;δc為故障切除時(shí)功角.FCL的投入可使發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率增大、系統(tǒng)的加速面積減小,即減小了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在系統(tǒng)故障期間的過(guò)剩動(dòng)能積累,從而對(duì)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生積極的影響,增大發(fā)電機(jī)的暫態(tài)穩(wěn)定裕度,降低失步的可能性.

圖3 具有FCL的系統(tǒng)功角曲線圖

正常運(yùn)行時(shí),發(fā)電機(jī)向無(wú)窮大系統(tǒng)輸送的有功功率為Pe=Pm,原動(dòng)機(jī)的輸入功率為Pm,發(fā)電機(jī)穩(wěn)定工作點(diǎn)在a點(diǎn),對(duì)應(yīng)的功角為δ0;發(fā)生三相短路瞬間,發(fā)電機(jī)的功率特性瞬時(shí)降為PII,工作點(diǎn)移動(dòng)至b點(diǎn);大約5ms后,工作點(diǎn)沿PII移動(dòng)到c點(diǎn),對(duì)應(yīng)的功角為δf,此時(shí),FCL動(dòng)作串入線路中,功率特性立即變?yōu)镻III,工作點(diǎn)也相應(yīng)地變化到d點(diǎn);當(dāng)工作點(diǎn)沿PIII移動(dòng)到e點(diǎn)時(shí),故障被切除,功率特性立即變化為PIV,工作點(diǎn)也相應(yīng)變化到g點(diǎn),對(duì)應(yīng)的功角為δf,此后工作點(diǎn)將沿 PIV向h點(diǎn)移動(dòng).由圖3可以看出,具有FCL的系統(tǒng)加速面積為Sabcdef;而沒(méi)有FCL的系統(tǒng),加速面積會(huì)沿著a-b-c-i-e-f-g-h的方向移動(dòng)為Sabcief.這樣通過(guò)FCL的串入而減少了系統(tǒng)的加速面積,達(dá)到穩(wěn)定系統(tǒng)暫態(tài)的積極效果,這種做法與通過(guò)自動(dòng)重合閘增加系統(tǒng)減速面積來(lái)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的做法類似,但相對(duì)于自動(dòng)重合閘重合永久故障時(shí)會(huì)惡化系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的情況,FCL對(duì)提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性更為有效實(shí)用.

2 故障限流器對(duì)距離保護(hù)的影響

2.1 傳統(tǒng)距離保護(hù)的整定動(dòng)作特性

當(dāng)線路發(fā)生短路故障時(shí),FCL將自動(dòng)串入故障回路來(lái)限制短路電流,這樣不僅破壞了原來(lái)系統(tǒng)距離保護(hù)的范圍,而且也降低了距離保護(hù)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(hù)中的測(cè)量元件,未串入故障限流器時(shí),方向圓阻抗繼電器的動(dòng)作特性如圖4所示,其絕對(duì)值比較動(dòng)作方程為

式中,Zm為測(cè)量阻抗;Zset為整定阻抗.線路串入限流器后,方向圓內(nèi)的Zm可能落入圓外,方向阻抗繼電器檢測(cè)不到圓內(nèi)的故障從而導(dǎo)致保護(hù)失靈.在FCL接入系統(tǒng)之前需要根據(jù)相關(guān)參數(shù)重新整定Zset,即距離保護(hù)I段修正后的整定值為

圖4 修正前的方向阻抗繼電器動(dòng)作特性

2.2 修正后距離保護(hù)的整定動(dòng)作特性

為使接入FCL后方向阻抗繼電器仍能迅速準(zhǔn)確動(dòng)作而不會(huì)使距離保護(hù)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(duì)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(dòng)作特性

隨著新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的不斷出現(xiàn),電能質(zhì)量已越來(lái)越被電力企業(yè)所關(guān)注.其中,電壓跌落問(wèn)題已被認(rèn)為是影響許多用電設(shè)備正常、安全運(yùn)行的最主要的動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題.對(duì)于電壓跌落,國(guó)際電工委員會(huì)(International Electrotechnical Commission,IEC)所用術(shù)語(yǔ)為voltage dip;國(guó)際電力電子工程師協(xié)會(huì)(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)所用術(shù)語(yǔ)為 voltage sag.衡量電壓跌落程度的參數(shù)主要有2個(gè):電壓跌落幅度和電壓跌落持續(xù)時(shí)間.IEEE對(duì)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(xù)0.5～30個(gè)工頻周波.

電壓跌落通常是由供電系統(tǒng)或用戶內(nèi)部的短路故障引起的,也可能是由于大電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)不當(dāng)造成[9].例如,當(dāng)雷擊和絕緣子污閃引起系統(tǒng)短路時(shí),保護(hù)動(dòng)作將其切除,然后又自動(dòng)重合閘成功.這時(shí)故障線路上的用戶將經(jīng)歷一次短路斷電,鄰近(同一供電母線)的其他用戶一般都會(huì)出現(xiàn)一次電壓暫降過(guò)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(zhǎng)期(大于3min)斷電,而其他用戶將再經(jīng)歷一次電壓跌落過(guò)程.

3.2 FCL對(duì)電壓跌落影響的仿真驗(yàn)證

短路故障引起的電壓跌落,嚴(yán)重影響電氣設(shè)備的正常運(yùn)行,甚至造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失.對(duì)于在電網(wǎng)母線與饋線連接處安裝故障限流器以此來(lái)限制短路電流和減少電壓跌落的研究在文獻(xiàn)[10-11]中已有介紹.下面利用PSCAD-EMTDC對(duì)FCL抑制電壓跌落的效果進(jìn)行仿真分析.

PSCAD-EMTDC的仿真電路如圖6所示.圖6中,發(fā)電機(jī)的端電壓U 為10kV;系統(tǒng)內(nèi)電阻Rs為0.3Ψ;系統(tǒng)內(nèi)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(fù)荷為50Ψ;支路2的等效負(fù)荷為10Ψ;K1為模擬金屬接地的等小開(kāi)關(guān);K2為限流器接入的快速開(kāi)關(guān).

圖6 FCL對(duì)電壓暫降影響的仿真圖

仿真過(guò)程:t=0.1s時(shí),開(kāi)關(guān) K1動(dòng)作,此時(shí)發(fā)生單相接地故障;t=0.15s時(shí),K2動(dòng)作,故障限流器投切.圖7,圖8分別為沒(méi)有故障限流器和有故障限流器時(shí)的母線端電壓的波形仿真圖.

圖7 無(wú)FCL時(shí)的母線端電壓波形

圖8 有FCL時(shí)的母線端電壓波形

由圖7、圖8可知,當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí),若無(wú)FCL,則母線端電壓幾乎為0;有FCL時(shí),根據(jù)串入線路FCL電感值的不同,母線電壓發(fā)生不同程度的跌落,在一定范圍內(nèi),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(duì)電力系統(tǒng)的影響.

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在FCL暫態(tài)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行的相關(guān)分析仿真驗(yàn)證可知,故障限流器可以通過(guò)減少發(fā)電機(jī)的加速面積,從而提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性.故障限流器能減少對(duì)距離保護(hù)的影響,故障限流器的串入可以有效地抑制系統(tǒng)的電壓跌落.

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