湯偉，楊鋮，劉洋，蓋振宇

（1.安徽電力調(diào)度控制中心，合肥230022；2.中電普瑞科技有限公司，北京102200）

0 引 言

我國(guó)電力系統(tǒng)規(guī)模增加，及電力系統(tǒng)之間的互聯(lián)，出現(xiàn)了一個(gè)新的突出問(wèn)題：各電壓等級(jí)電網(wǎng)的短路電流不斷增加。我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的負(fù)荷和負(fù)荷密度增加迅速，這些地區(qū)的短路電流已經(jīng)達(dá)到甚至超過(guò)了系統(tǒng)中開(kāi)關(guān)元件的遮斷容量［1-3］。若要降低短路電流水平，傳統(tǒng)的方法是或需巨大的投資改造電網(wǎng)，或需在運(yùn)行方式上做出一定犧牲，這些會(huì)影響電網(wǎng)運(yùn)行的靈活性、安全性和可靠性，而且缺少針對(duì)短路電流的方向性及選擇性［4-6］。

故障電流限制器 （Fault Current Limiter，F(xiàn)CL）是一種抑制短路電流大小的設(shè)備。它的特點(diǎn)是：在系統(tǒng)正常時(shí)，對(duì)系統(tǒng)而言整體阻抗為零或非常小，而在電網(wǎng)中發(fā)生短路故障時(shí)，其阻抗迅速增大，降低短路電流的峰值和穩(wěn)態(tài)值，保證開(kāi)關(guān)設(shè)備可以正常斷開(kāi)，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，避免更換容量更大的電氣設(shè)備所造成的經(jīng)濟(jì)和基建上的損失［7］。故障電流限制器已歷經(jīng)40多年的研究和發(fā)展過(guò)程，實(shí)現(xiàn)原理有很多方法，種類(lèi)形式繁多。根據(jù)限流的材料類(lèi)型，可將FCL分為新型材料和常規(guī)材料類(lèi)型。新型材料以超導(dǎo)型、PTC熱敏電阻型為主要類(lèi)型，常規(guī)材料以電力電子器件、變壓器磁通補(bǔ)償型、氧化鋅避雷器為主要類(lèi)型。目前超導(dǎo)型［8-9］、電力電子型FCL是研究的熱點(diǎn)［10-13］。

本文提出了一種具有串補(bǔ)功能FCL，系統(tǒng)正常時(shí)作為以串補(bǔ)結(jié)構(gòu)運(yùn)行，提高線(xiàn)路的傳輸功率；在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，故障檢測(cè)系統(tǒng)控制裝置轉(zhuǎn)變?yōu)橄蘖髂Ｊ?。?duì)其應(yīng)用于電網(wǎng)后進(jìn)行分析，證明該FCL具有良好的限流和補(bǔ)償效果。

1 具有串補(bǔ)功能的故障電流限制器

1.1 結(jié)構(gòu)

具有串補(bǔ)功能的FCL屬于一種電力電子型FCL，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，主要是由一個(gè)固定電容器C、旁路電感L1（并聯(lián)）、串聯(lián)電感L2、反并聯(lián)的晶閘管閥、保護(hù)用的MOV、旁路開(kāi)關(guān)K、故障檢測(cè)系統(tǒng)和閥觸發(fā)系統(tǒng)等組成。

圖1 FCL結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱DFig.1 Components topology of FCL

電容C的容抗大于串聯(lián)電感L2的感抗，在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，F(xiàn)CL對(duì)線(xiàn)路可以起到串聯(lián)補(bǔ)償?shù)淖饔茫淳чl管截止，電感L1退出，電流從電容器C流過(guò)；故障時(shí)，故障檢測(cè)系統(tǒng)觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，兩個(gè)方向的閥輪流導(dǎo)通，將旁路電感L1接入系統(tǒng)中，L1、C選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)，并聯(lián)后可以得到較大的電抗，與L2串聯(lián)后共同限流，改變晶閘管的導(dǎo)通角，可在不同的短路情況下改變限流程度。

如僅在故障期間用于旁路電感L1的快速投入，則用晶閘管閥等半控器件應(yīng)是足夠的。當(dāng)然也可以用GTO、IGCT等全控器件代替圖1中的晶閘管閥，控制元件的開(kāi)通和關(guān)斷，以獲得更好的性能。

1.2 工作原理

旁路電感L1的等值電路如圖2所示。

晶閘管的導(dǎo)通角σ直接影響電感L1的等效值，短路電流為：

式中i（t）為流經(jīng) L1的電流； u（ωt）為等值電路兩端的電壓；L為L(zhǎng)1的電感值；θ為晶閘管的觸發(fā)角；σ為晶閘管的導(dǎo)通角。

圖2 并聯(lián)電感L1的等值電路Fig.2 Equivalent circuit of shunt inductor L1

如果電壓源只含基波分量，并進(jìn)行傅里葉分解，可得電流的基波分量：

由此可得L（σ）為：

則 X（σ）為：

從而可得FCL的總限流電抗XL為：

由以上關(guān)系可知，改變導(dǎo)通角σ，可以改變限流電抗XL，從而可以改變限流程度。

根據(jù)晶閘管開(kāi)通時(shí)刻不同，σ數(shù)值的范圍是：0°～180°。設(shè)σr為旁路電感L1與等效電容C發(fā)生并聯(lián)諧振程度最大時(shí)的晶閘管所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通角。當(dāng)σ從180°逐漸減小時(shí)，限流程度增大，電流減小且為感性；當(dāng)減小到σr時(shí)，旁路電感L1和電容器組等效電容C發(fā)生并聯(lián)諧振，此時(shí)等效電抗無(wú)窮大，限流程度最大，電流最小；當(dāng)小于σr后，隨著σ的減小，電流增大且為容性，電容兩端的電壓也會(huì)增大。C和L1的等效阻抗性質(zhì)隨晶閘管導(dǎo)通角變化的關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 等效阻抗性質(zhì)Tab.1 Equivalent impedance characteristic

所以，為提高限流器的限流效果，導(dǎo)通角σ合適的取值范圍是σr≤σ≤180°。

1.3 限流率和補(bǔ)償度

帶串聯(lián)補(bǔ)償?shù)腇CL還有兩個(gè)表征性能的重要參數(shù)，分別是限流率α和補(bǔ)償度k。

（1）限流率 α（0＜α＜1）

該參數(shù)可以用安裝FCL前后短路電流If與IL或系統(tǒng)阻抗X與限流阻抗XL來(lái)表示，關(guān)系如下：

（2）補(bǔ)償度 k

該參數(shù)是用FCL總?cè)菘筙co與線(xiàn)路電抗Xline按以下方式定義的：

則：

2 安徽電網(wǎng)2017年短路電流水平分析

隨著安徽電網(wǎng)規(guī)模的日益擴(kuò)大，不僅線(xiàn)路潮流考驗(yàn)著電網(wǎng)的安全運(yùn)行，短路電流的快速增長(zhǎng)更是對(duì)故障后電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的能力提出嚴(yán)峻的考驗(yàn)。因此，本節(jié)將對(duì)2017年安徽電網(wǎng)在不采取分層分區(qū)、故障限流器等措施下的短路水平進(jìn)行考察，重點(diǎn)是500 kV變電所的500 kV和220 kV母線(xiàn)，如表2所示。

表2 主要500 kV變電站短路電流水平（kA）Tab.2 Fault current level ofmain 500 kV

由表2可知，變電站內(nèi)500 kV電壓等級(jí)的母線(xiàn)短路電流一般在25 kA～48 kA的范圍內(nèi)，斷路器均可以正常開(kāi)斷，有一定裕度；而220 kV母線(xiàn)發(fā)生短路時(shí)，存在短路電流接近或超過(guò)斷路器遮斷容量、設(shè)備裕度不足的情況。

電網(wǎng)負(fù)荷的不斷增加，新增電源的投入等因素的綜合作用，若不采取相應(yīng)的措施，安徽電網(wǎng)將會(huì)出現(xiàn)更嚴(yán)重的短路電流超標(biāo)，不但威脅電網(wǎng)中現(xiàn)有電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，甚至需要花費(fèi)大量的投資進(jìn)行設(shè)備更換和改造改建，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，而且在新變電站的設(shè)備選擇上需增加裕度，使得投資大大增加。

3 FCL的應(yīng)用分析

3.1 選點(diǎn)分析

根據(jù)限流要求和效果，故障限流器在電力系統(tǒng)中的安裝位置主要有以下四種［14］：

（1）輸電線(xiàn)路，用以限制輸電線(xiàn)路的短路電流，可以保護(hù)用戶(hù)側(cè)低壓設(shè)備；

（2）變壓器低壓側(cè)，在系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)由FCL限制系統(tǒng)的短路電流，保護(hù)變壓器的安全；

（3）雙母線(xiàn)間的聯(lián)絡(luò)線(xiàn)，用來(lái)限制2個(gè)母線(xiàn)間的短路電流，并能有效提高故障后母線(xiàn)電壓水平；

（4）區(qū)域電網(wǎng)之間的聯(lián)絡(luò)線(xiàn)，發(fā)生短路時(shí)由FCL限流，解決斷路器遮斷容量不足的問(wèn)題。

根據(jù)表2的220 kV母線(xiàn)故障時(shí)短路電流水平，選擇肥北站做短路后各分支短路電流分量的分析計(jì)算，結(jié)果如表3所示。

表3 220 kV母線(xiàn)單相短路后各分支短路電流（kA）Tab.3 Branch currents after single-phase short circuit happened in 220 kV busbar（kA）

500 kV肥西站全接線(xiàn)模式下的短路電流組成情況如圖3所示。

圖3 短路電流組成Fig.3 Composition of short-circuit current

從表3和圖3可以看出，肥北站的220 kV母線(xiàn)發(fā)生短路故障時(shí)，一臺(tái)主變提供的短路電流比例超過(guò)了20%，高于其他220 kV線(xiàn)路提供的短路電流。在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)母線(xiàn)的電源和負(fù)荷是對(duì)稱(chēng)的，母線(xiàn)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)上基本沒(méi)有功率穿越，而當(dāng)某一側(cè)母線(xiàn)發(fā)生短路故障時(shí)，母線(xiàn)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)成為故障電流的主要通道，兩個(gè)母線(xiàn)也會(huì)出現(xiàn)很大的電壓降落，非故障母線(xiàn)所連接的負(fù)荷不能得到正常的電力供應(yīng)。在母線(xiàn)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)安裝FCL不但可以有效地限制非故障母線(xiàn)提供的短路電流，而且故障后FCL投入還可以維持非故障母線(xiàn)的電壓水平，有利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，提高電能質(zhì)量。因此，應(yīng)用于安徽電網(wǎng)的故障電流限制器，合適的安裝位置是500 kV變電站的220 kV母線(xiàn)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)上。

3.2 故障電流限制器應(yīng)用安徽電網(wǎng)的限流效果

結(jié)合2017年安徽電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以肥北變電站220 kV母線(xiàn)作為研究對(duì)象，將故障電流限制器安裝在該站220 kV母線(xiàn)I和II的連接開(kāi)關(guān)處，如圖4所示。

當(dāng)母線(xiàn)I和母線(xiàn)II同時(shí)運(yùn)行，t＝1 s時(shí)II母線(xiàn)側(cè)的某條線(xiàn)路首端發(fā)生A相接地故障，沒(méi)有安裝FCL時(shí)流過(guò)母聯(lián)開(kāi)關(guān)的電流和非故障母線(xiàn)的電壓波形仿真結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 無(wú)FCL時(shí)母聯(lián)開(kāi)關(guān)的A相電流ig.5 A phase current of bus tie switch without FCL

圖6 無(wú)FCL時(shí)母線(xiàn)I的A相電壓Fig.6 A phase voltage of busbar without FCL

由圖5和圖6可看出，母聯(lián)開(kāi)關(guān)的短路電流峰值約為72 kA，受故障影響，母線(xiàn)I的A相電壓接近為0，降落較大。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，安裝在母線(xiàn)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)上的FCL電氣參數(shù)為：C＝100.6μF，L1＝20.1 mH，L2＝40.3 mH，II母線(xiàn)側(cè)的某條線(xiàn)路首端A相接地故障前后，流過(guò)母聯(lián)開(kāi)關(guān)的電流和非故障母線(xiàn)的電壓波形仿真結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 有FCL時(shí)母聯(lián)開(kāi)關(guān)上的A相電流Fig.7 A phase current of bus tie switch with FCL

圖8 有FCL時(shí)母線(xiàn)I的A相電壓Fig.8 A phase voltage of busbar with FCL

由圖7和圖8可看出：加裝FCL后，母聯(lián)開(kāi)關(guān)的短路電流峰值被降至14 kA以下，限流率達(dá)到了80%，而且母線(xiàn)I的電壓降落幅度大大減小，F(xiàn)CL的效果明顯。

3.3 故障電流限制器應(yīng)用的補(bǔ)償效果

在應(yīng)用線(xiàn)路的FCL中若設(shè)置多組不同數(shù)值的電容器與C并聯(lián)，利用串聯(lián)的開(kāi)關(guān)投切電容器，形成不同的組合方式，就可以靈活調(diào)節(jié)線(xiàn)路等效電抗值，按需求調(diào)整FCL對(duì)線(xiàn)路的串聯(lián)補(bǔ)償度［15］。

為分析 FCL的串聯(lián)補(bǔ)償效果，設(shè)其應(yīng)用在220 kV電壓等級(jí)輸電線(xiàn)路中，線(xiàn)路長(zhǎng)度為110 km，單位長(zhǎng)度線(xiàn)路的參數(shù)為：L＝1.02 mH／km，R＝0.05Ω／km，C＝10.5 nF／km。設(shè) FCL的各電容器參數(shù)取值分別是：C＝102.3μF，C1＝16.9μF，C2＝45.1μF。經(jīng)過(guò)計(jì)算，不同電容器組合方式下線(xiàn)路的補(bǔ)償度如表4所示。

從表4可以看出，投入不同組合的電容器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線(xiàn)路的可控串聯(lián)補(bǔ)償，補(bǔ)償度分別為36%、42%、56%和70%，具有提高系統(tǒng)傳輸能力、控制系統(tǒng)潮流、提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性方面的作用。

表4 不同電容器組合方式下FCL的補(bǔ)償度Tab.4 Equivalent FCL impedance of different compensation degrees

4 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種應(yīng)用于電力系統(tǒng)的具有串補(bǔ)功能的故障電流限制器，進(jìn)行了理論分析、數(shù)學(xué)模型研究，并對(duì)安徽電網(wǎng)500 kV變電站短路電流水平進(jìn)行了分析，確定了FCL的應(yīng)用點(diǎn)，利用軟件仿真的結(jié)果表明：FCL能夠在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)迅速響應(yīng)，快速限制短路電流，減小電壓暫降，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，提高電氣設(shè)備的安全性。且其應(yīng)用在輸電線(xiàn)路中在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，采用并聯(lián)電容器調(diào)節(jié)線(xiàn)路電抗值，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)補(bǔ)償功能，提高電網(wǎng)的輸電能力和電壓穩(wěn)定性。因此，該種具有串補(bǔ)功能的FCL在電網(wǎng)中具有廣闊的應(yīng)用前景和良好的經(jīng)濟(jì)效益。