姚守學，程健雄，蔡盛舟，李建明

(1.廣元電業(yè)局，四川 廣元 628000;2.四川省電力公司資陽公司，四川成都 610039;3.攀枝花電業(yè)局，四川 攀枝花 617067;4.四川電力科學研究院，四川 成都 610072)

0 引言

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的擴大，系統(tǒng)電網(wǎng)功率不斷增大，短路電流水平也相應增加，電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性問題越來越重要。為了保證穩(wěn)定地輸送大容量、高質(zhì)量的電能，繼電保護裝置等必須滿足高值短路電流帶來的更嚴格的要求，為了保證變壓器等電力設備不會在系統(tǒng)故障電流沖擊下?lián)p壞。通常限制短路電流的措施可從電力網(wǎng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)運行方式和設備性能三方面考慮。改造電力網(wǎng)結(jié)構(gòu)昂貴，改變系統(tǒng)運行方式容易造成電力系統(tǒng)運行的不穩(wěn)定性。在設備端加裝電抗器、高阻抗變壓器則會導致網(wǎng)絡損耗增加，并降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，研制應用于超高壓電網(wǎng)的故障限流裝置成為比較理想經(jīng)濟的選擇［1－4］。

研究了一種基于集成門集換流晶閘管(integrated gate commutated thyristors，IGCT)和固態(tài)電力電子開關的快速、可關斷特性的短路電流限制器(fault current limiter，F(xiàn)CL)。

1 FCL簡介

1.1 新型FCL拓撲結(jié)構(gòu)

圖1 FCL的拓撲結(jié)構(gòu)

FCL由以下幾部分組成:限流電抗L1、L2，阻尼回路(采用電抗 +ZnO串電阻型)，快速隔離器KGS，門集可關斷開關IGCT和保護用ZnO避雷器組成。

1.2 工作原理和特點

圖2 動作電流波形

系統(tǒng)正常工作時，門集可控開關IGCT和快速隔離器KGS都處于導通態(tài)，限流電感被旁路，不影響系統(tǒng)的正常運行。當系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，通過監(jiān)測單元對來自CT的電流信號進行取樣，由邏輯控制單元對電流分析，然后給控制單元提供動作信號，觸發(fā)IGCT開斷，將限流電抗L1串入電路，然后等待來自監(jiān)測單元和邏輯判斷單元的信號。若仍然未達到要求，則由控制單元發(fā)出KGS動作信號，將限流電抗L2投入電路完成最后的限流。當故障排除后，先將KGS合閘，然后導通IGCT，使系統(tǒng)恢復正常運行。

該FCL具有以下的特點。

(1)具有超高速(100～200 μs)開斷短路電流特性。

(2)具有較高的短路電流開斷能力(6～10 kA)。其開斷短路電流波形如圖2所示。圖中i1為預期短路電流波形，i2(陰影部分)為IGCT動作后的短路電流波形。

由圖2可見，因其高速開斷性能，實際出現(xiàn)的短路電流的峰值Ic在短路電流第一個半波的上升過程中被限制到預期短路電流峰值的15～50%，i2的持續(xù)時間僅為100 μs，開斷速度比常規(guī)斷路器快約100倍。

1.3 該FCL與傳統(tǒng)的限流器電抗器相比具有以下的優(yōu)點

(1)節(jié)能降耗。接入FCL之后避免了傳統(tǒng)電抗器串聯(lián)在電路中每年產(chǎn)生的大量有功和無功損耗，造成的經(jīng)濟損失，同時又能發(fā)揮正常的限流作用。不但節(jié)省了企業(yè)的投資，也符合建設節(jié)約型社會的國策。

(2)改善電能質(zhì)量。電抗器對母線電壓質(zhì)量有影響，會使母線電壓波動6～10%，致使很多給大型鋼鐵化工廠礦企業(yè)供電的變電站的電壓質(zhì)量指標達不到國網(wǎng)公司的要求。裝備FCL后上述電壓波動消除了，電壓質(zhì)量提高，得以滿足國網(wǎng)公司供電指標的要求。

(3)減少并補裝置的投資和事故率。用IGCT限流器旁路電抗器后，變電站可以不裝或少裝并聯(lián)補償電容器，可節(jié)約大量基建投資;在原來已經(jīng)裝設了并聯(lián)補償電容器的變電站，則可以不投或少投運并聯(lián)補償電容器，延長其使用壽命，減少運行和維修費用，并減少因并補電容器和與之串聯(lián)的小電抗等的自身故障所引起的供電事故。

(4)可連續(xù)供電。在IGCT動作后，斷路器按繼電保護正常動作程序跳閘或重合閘，重合成功后繼續(xù)運行，可連續(xù)供電。

圖3 仿真系統(tǒng)示意圖

(5)消除電磁干擾。消除了電抗器磁場及噪聲對運行人員和周圍電子設備的干擾，消除由其引起的附屬設備的渦流發(fā)熱和二次設備放電打火等異常現(xiàn)象，滿足國家有關電磁場干擾的強制標準。

(6)配置簡單易行。電抗器投入后的繼電保護和旁路前相同，故用(IGCT)旁路電抗器時無需改變原先的繼電保護的配合和整定值。在新變電站裝配簡單，在老變電站改造也變得很容易。

2 FCL仿真分析

以實際系統(tǒng)參數(shù)為例，利用PSCAD仿真變壓器出口短路的情況。仿真系統(tǒng)示意圖如圖3所示［5－6］。

單相線路參數(shù)如下。

FCL參數(shù)為L1=7 mH，L2=10 mH，Lz=5 mH，R=1 Ω

阻尼回路ZnO避雷器額定電壓為10 kV(非線性電阻);保護用ZnO額定電壓為4 kV。其中，Us、Um、ω、φ分別為電源相電壓的有效值、峰值、工頻角頻率與初相位;Us為電源電壓瞬時值;Ls、Rs為變壓器出口短路時，折算到38.5 kV側(cè)的短路阻抗;L1、L2為故障限流器中電抗值;Lz為阻尼電感，R為阻尼電阻;短路電流的衰減時間常數(shù)τ=17 ms。

假設系統(tǒng)在0.2 s發(fā)生短路故障，短路發(fā)生5 ms時完全投入FCL。

短路時，沒有加入FCL的故障電流波形如圖4所示。

圖4 無FCL時短路電流波形

短路時，加入FCL的故障電流波形如圖5所示。

由仿真電流波形可以看出，故障時短路電流第一峰值為12.50 kA，穩(wěn)態(tài)峰值電流為8.18 kA;投入FCL后，電流第一峰值為10.67 kA，穩(wěn)態(tài)峰值電流為3.98 kA?？梢姡現(xiàn)CL的投入對短路電流的第一峰值和穩(wěn)態(tài)電流峰值都有明顯的抑制作用，有效地降低了短路電流對電氣設備的沖擊。

圖5 有FCL時短路電流波形

短路時，無FCL系統(tǒng)電壓波形如圖6所示。

圖6 無FCL系統(tǒng)電壓波形

圖7 有FCL系統(tǒng)電壓波形

由仿真電壓波形可以看出，故障時系統(tǒng)電壓跌落嚴重，對用戶設備的安全造成嚴重影響，投入FCL后，系統(tǒng)電壓降落明顯減小，從而降低了對用戶設備的影響。可見，F(xiàn)CL的投入對改善系統(tǒng)電壓有積極的作用。

3 試驗

為了驗證該FCL的可行性，制作了試驗樣機進行了試驗，試驗結(jié)果如圖8～9所示。

從以上試驗結(jié)果可以看出，該故障限流器明顯抑制了變壓器出口的短路電流的峰值和穩(wěn)態(tài)值，限流效果良好，電流波形良好，能夠在實際中得到應用。

圖8 加入FCL時變壓器出口短路電流波形

圖9 加入FCL時線路短路電流波形

4 結(jié)語

研究了一種新型的基于可控門極晶閘管(IGCT)的故障電流限制器，正常運行時串在電路中，功耗很小;短路時，投入限流電抗限流。通過實際試驗，證明該故障限流器不僅能夠限制短路電流還能夠抑制電壓跌落，提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，具有良好的技術和經(jīng)濟性能，在電力系統(tǒng)中具有廣闊的應用前景。

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