劉海波　王　浩　劉樹楓　吳　剛　李聰革

（1. 國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司，呼和浩特　010020；2. 國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司赤峰供電公司，內(nèi)蒙古 赤峰　024000；3. 四方華能電網(wǎng)控制系統(tǒng)有限公司，北京　100085）

隨著電力系統(tǒng)裝機(jī)容量的增加，系統(tǒng)的短路電流值逐年上升并呈現(xiàn)超出標(biāo)準(zhǔn)的趨勢(shì)。短路電流在導(dǎo)體中產(chǎn)生熱效應(yīng)，損害電氣設(shè)備和絕緣，一旦超過(guò)斷路器遮斷能力，影響斷路器切除故障，就會(huì)造成事故擴(kuò)大，還會(huì)引起導(dǎo)體變形、通信干擾、電壓下降、系統(tǒng)失穩(wěn)等一系列問(wèn)題，威脅系統(tǒng)安全。必須將其限制在允許裕度內(nèi)，避免不良影響[1-2]。

在輸電線路上裝設(shè)故障限流器（fault current limiter, FCL）可以有效地限制短路故障時(shí)的短路電流值。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，F(xiàn)CL的實(shí)現(xiàn)方法有所不同，主要有超導(dǎo)型、電力電子型和串聯(lián)諧振型等。超導(dǎo)型技術(shù)還不成熟、投資成本高，還未實(shí)用；電力電子型動(dòng)作速度快、可控性好，但造價(jià)高、穩(wěn)定性差；串聯(lián)諧振型的主要問(wèn)題是造價(jià)高、控制維護(hù)比較復(fù)雜。在目前的電網(wǎng)系統(tǒng)中，由于節(jié)約投資等原因，裝設(shè)限流電抗器是限制短路電流最常用的手段。傳統(tǒng)的限流電抗器利用無(wú)導(dǎo)磁材料的空心線圈作為其核心裝置，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)限流電抗器也串聯(lián)在系統(tǒng)中，只在發(fā)生短路時(shí)起限流作用。由于電抗器本身的特性，在發(fā)生短路故障時(shí)，對(duì)維持母線殘壓、減小母線電壓波動(dòng)、提高線路運(yùn)行穩(wěn)定性有積極作用。但限流電抗器長(zhǎng)期串接于線路，產(chǎn)生巨大的有功損耗[3]、影響供電質(zhì)量、產(chǎn)生電磁污染，隨著電網(wǎng)發(fā)展已不能滿足現(xiàn)代電網(wǎng)的環(huán)保節(jié)能需求。本文結(jié)合快速開(kāi)關(guān)技術(shù)，提出了一種改進(jìn)的節(jié)能型故障限流器。

1　節(jié)能型故障限流器的結(jié)構(gòu)、原理和特點(diǎn)

節(jié)能型故障限流器在原有的結(jié)構(gòu)上增加一個(gè)快速開(kāi)關(guān)裝置?；就?fù)浣Y(jié)構(gòu)由限流電抗器和換流器（智能開(kāi)關(guān)及其控制）組成[4]，如圖1所示。

圖1　節(jié)能型故障限流器原始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

該型故障限流器實(shí)現(xiàn)了故障時(shí)投入，正常不投入的節(jié)能效果，但沒(méi)有考慮到以電感材料作為限流器件時(shí)，由于電感本身特性，電流從開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)移到限流電感的過(guò)程中，電感兩端可能會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，對(duì)故障限流器的安全造成威脅，還會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊。

考慮到原有節(jié)能型故障限流器的局限，本文增加對(duì)過(guò)電壓?jiǎn)栴}的解決方案，同時(shí)采用基于渦流驅(qū)動(dòng)原理的電磁斥力開(kāi)關(guān)優(yōu)化投切性能，提出的節(jié)能型故障限流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　改進(jìn)節(jié)能型故障限流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2虛線框內(nèi)為新型節(jié)能型故障限流器裝置，各部件功能如下。

限流電抗器：限流電感裝置。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)被短接；發(fā)生短路故障時(shí)接入電短路回路，限制短路電流。

過(guò)電壓保護(hù)裝置：主要由金屬氧化物避雷器構(gòu)成。使用該裝置保護(hù)限流裝置和開(kāi)關(guān)設(shè)備免受過(guò)電壓損害。

快速開(kāi)關(guān)：由真空滅弧室和電磁斥力結(jié)構(gòu)組成的快速開(kāi)關(guān)。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合；系統(tǒng)短路故障時(shí)收到控制器分閘信號(hào)，在極短時(shí)間內(nèi)跳開(kāi)。

電流采集器：監(jiān)測(cè)線路電流的變化情況。

控制器：控制快速開(kāi)關(guān)。當(dāng)電流采集器收集的系統(tǒng)電流值超出設(shè)定時(shí)，控制器通過(guò)計(jì)算預(yù)測(cè)三相電流過(guò)零點(diǎn)的準(zhǔn)確時(shí)刻，在過(guò)零前及時(shí)發(fā)出分閘信號(hào)；切除故障后，控制器還能自動(dòng)檢測(cè)母線電壓回升，向快速開(kāi)關(guān)發(fā)出合閘信號(hào)。

基于節(jié)能型故障限流器的結(jié)構(gòu)分析，可以對(duì)其工作原理描述如下：系統(tǒng)正常工作時(shí)，快速開(kāi)關(guān)呈閉合態(tài)，工作電流僅通過(guò)快速開(kāi)關(guān)線路，電抗器中無(wú)損耗。系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，電流采集器檢測(cè)系統(tǒng)電流值越限，故障信息被傳送至控制器；控制器迅速預(yù)測(cè)三相電流過(guò)零點(diǎn)的準(zhǔn)確時(shí)刻，并在過(guò)零前發(fā)出分閘信號(hào)，使開(kāi)關(guān)分閘；快速開(kāi)關(guān)收到分閘信號(hào)后，在電流接近過(guò)零點(diǎn)時(shí)斷開(kāi)各相，從而使限流電抗器接入短路回路，限制故障電流。切除故障后，控制器自動(dòng)檢測(cè)到母線電壓回升，向快速開(kāi)關(guān)發(fā)送合閘信號(hào)，快速開(kāi)關(guān)合閘，限流電抗器再次短接，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

這種節(jié)能型故障限流器的特點(diǎn)是：

1）動(dòng)作速度快。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，快速開(kāi)關(guān)的分閘時(shí)間可以控制在 5ms以內(nèi)，系統(tǒng)發(fā)生短路故障后10ms左右能將短路電流開(kāi)斷，確保開(kāi)關(guān)觸頭在電流過(guò)零點(diǎn)前分開(kāi)，有效縮短燃弧時(shí)間，保證限流電抗器在故障時(shí)能迅速接入短路回路。

2）動(dòng)作分散度小。新型限流電抗器采用快速渦流驅(qū)動(dòng)的新型電磁斥力開(kāi)關(guān)，合閘時(shí)間減少至10ms內(nèi)，合閘動(dòng)作分散度不超過(guò)0.1ms。

3）開(kāi)斷容量大。由于采用了精確控制的電流過(guò)零點(diǎn)開(kāi)斷技術(shù)，三相均為臨界過(guò)零開(kāi)斷動(dòng)作，縮短燃弧時(shí)間差，這使快速開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷容量大幅增加，電壓開(kāi)斷能力達(dá) 80kV以上。此外，燃弧量降低進(jìn)一步減小觸頭燒灼損傷，延長(zhǎng)了快速開(kāi)關(guān)的使用壽命。

4）節(jié)能效果好。新型節(jié)能型限流電抗器在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)無(wú)損耗且不需要安裝散熱設(shè)備，減少成本[5-7]。

2　關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1　電流過(guò)零開(kāi)斷

故障限流器的主要作用是提高斷路器的開(kāi)斷能力，電力系統(tǒng)中的斷路器開(kāi)斷電路時(shí)間一般是在短路故障發(fā)生后的第2～3個(gè)工頻周波后。理想的故障限流器是在故障發(fā)生后的第一個(gè)峰值內(nèi)完成限流，而實(shí)際上只要在斷路器開(kāi)斷電流之前完成限流即可。本文針對(duì)快速真空開(kāi)關(guān)的電流過(guò)零點(diǎn)開(kāi)斷方案即采用這種原理，電流過(guò)零點(diǎn)開(kāi)斷方案限流特性曲線如圖3所示。

圖3　工頻過(guò)零點(diǎn)電流開(kāi)斷方案限流特性示意

由圖 3中可見(jiàn)，t1時(shí)刻系統(tǒng)發(fā)生短路故障電流增大，控制器迅速計(jì)算預(yù)測(cè)各相電流過(guò)零點(diǎn)的準(zhǔn)確時(shí)刻，快速開(kāi)關(guān)的觸頭在電流過(guò)零前的臨界時(shí)間（圖示t2時(shí)刻）分開(kāi)，電弧在電流零點(diǎn)處（圖示t3時(shí)刻）熄滅。故障電流流通路徑轉(zhuǎn)移至限流電抗器，則故障限流器投入到短路回路，發(fā)揮限制短路電流的作用。

采用過(guò)零點(diǎn)電流開(kāi)斷方案具有明顯的優(yōu)勢(shì)：①燃弧量降低90%，開(kāi)斷容量提高，觸頭燒灼程度減弱，開(kāi)關(guān)的使用壽命明顯延長(zhǎng)；②快速開(kāi)關(guān)真空滅弧室的電弧會(huì)在第一個(gè)工頻電流零點(diǎn)處熄滅，從而使短路電流轉(zhuǎn)移難度大幅降低；③開(kāi)斷時(shí)間由傳統(tǒng)方法的“從故障發(fā)生到故障電流第一個(gè)峰值之前”變?yōu)椤皬墓收习l(fā)生到第一個(gè)電流零點(diǎn)之前”，故障電流識(shí)別和開(kāi)關(guān)動(dòng)作的總時(shí)間更富余，從而降低對(duì)開(kāi)關(guān)動(dòng)作的時(shí)間要求。

2.2　快速開(kāi)關(guān)裝置

傳統(tǒng)的機(jī)械開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)滯長(zhǎng)、速度慢，無(wú)法滿足快速動(dòng)作需求[8]，采用一種快速響應(yīng)快速動(dòng)作的開(kāi)關(guān)裝置能夠改善限流電抗器性能。本文選取基于快速渦流驅(qū)動(dòng)技術(shù)的新型電磁斥力開(kāi)關(guān)。

電磁斥力開(kāi)關(guān)是基于渦流驅(qū)動(dòng)原理動(dòng)作的一種快速開(kāi)關(guān)，主要由金屬斥力盤、充放電回路、分合閘線圈、保持裝置和真空滅弧室等構(gòu)成[9]。

其工作原理是，利用充電后的儲(chǔ)能電容進(jìn)行放電，為分合閘線圈通電，產(chǎn)生脈沖電流，金屬斥力盤中因感應(yīng)出渦流而產(chǎn)生電磁力，金屬盤帶動(dòng)傳動(dòng)桿運(yùn)動(dòng)，使動(dòng)觸頭與靜觸頭接觸或分離，從而達(dá)到開(kāi)斷電流的目的。

2.3　過(guò)電壓?jiǎn)栴}

故障限流器采用電感元件限流，由于電感本身的特性，電流從開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)移到限流電感的過(guò)程中，電感兩端可能會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，對(duì)故障限流器的安全造成威脅，并對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊。

對(duì)于過(guò)電壓?jiǎn)栴}，采用并聯(lián)氧化鋅（ZnO）避雷器組件的方法來(lái)解決[10]。正常運(yùn)行時(shí)，快速開(kāi)關(guān)閉合，ZnO組件兩端電壓低于門檻電壓值，ZnO不起作用；短路故障發(fā)生后，短路電流逐漸增大，ZnO組件端電壓也逐漸大于門檻電壓值，ZnO組件導(dǎo)通，將限流電感兩端的電壓限制在較低的水平，避免限流電感和快速開(kāi)關(guān)受過(guò)電壓的沖擊傷害。

3　限流效果仿真

為驗(yàn)證安裝節(jié)能型故障限流器前后，系統(tǒng)中發(fā)生兩相接地短路和三相短路兩種故障時(shí)的FCL的限流效果，利用Matlab/Simulink對(duì)圖4所示的110kV系統(tǒng)進(jìn)行不同類型短路故障的仿真分析。

圖4　110kV系統(tǒng)仿真模型

3.1　單相接地短路

以 A相單相接地短路為例，仿真模擬系統(tǒng)在0.3s時(shí)S點(diǎn)發(fā)生A相單相接地短路故障，F(xiàn)CL接入前后A相母線電壓、電流的仿真結(jié)果分別如圖5、圖6所示。

無(wú)FCL接入。系統(tǒng)發(fā)生BC兩相接地短路故障后，變壓器T1二次側(cè)A相母線電壓、電流變化情況如圖 5（a）、（b）所示：電壓跌落至 38.6kV；短路電流第一個(gè)峰值達(dá)到 3.3kA，隨后穩(wěn)定在 2.1kA左右。

圖5　單相接地短路無(wú)FCL接入時(shí)的仿真波形圖

圖6　單相接地短路有FCL接入時(shí)的仿真波形圖

有FCL接入。故障限流器在0.31s時(shí)接入短路回路，變壓器T1二次側(cè)A相母線電壓、電流變化情況如圖6（a）、（b）所示：與無(wú)FCL接入時(shí)相比，跌落后電壓升至62.3kV，提升幅度約61.4%；短路電流第一個(gè)峰值為 3.3kA，隨后短路電流穩(wěn)定在1.2kA，下降約42.9%。

3.2　兩相接地短路

以BC兩相接地短路為例，仿真模擬系統(tǒng)在0.3s時(shí)S點(diǎn)發(fā)生BC兩相接地短路故障，F(xiàn)CL接入前后A相母線電壓、電流的仿真結(jié)果分別如圖7、圖8所示。

圖7　兩相接地短路無(wú)FCL接入時(shí)的仿真波形圖

1）無(wú)FCL接入。系統(tǒng)發(fā)生BC兩相接地短路故障后，變壓器T1二次側(cè)A相母線電壓變化情況如圖7（a）、圖7（b）所示：電壓跌落至37.5kV；短路電流第一個(gè)峰值達(dá)到3.4kA，隨后穩(wěn)定在2.2kA左右。

圖8　兩相接地短路有FCL接入時(shí)的仿真波形圖

2）有FCL接入。故障限流器在0.31s時(shí)接入短路回路，變壓器T1二次側(cè)A相母線電壓、電流變化情況如圖8（a）、（b）所示：與無(wú)FCL接入時(shí)相比，跌落后電壓升至58.5kV，提升幅度約56%；短路電流第一個(gè)峰值為 3.4kA，隨后短路短路電流穩(wěn)定在1.2kA，下降約45.5%。

3.3　三相短路

三相短路時(shí)三相對(duì)稱，以A相結(jié)果為例分析。0.3s時(shí)S點(diǎn)發(fā)生三相短路故障，有無(wú)FCL接入時(shí)的A相母線電壓、電流仿真結(jié)果分別如圖9、圖10所示。

1）無(wú) FCL接入。系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障后，變壓器T1二次側(cè)A相母線電壓變化情況如圖9（a）、（b）所示：電壓跌落至 21.5kV；短路電流第一個(gè)峰值達(dá)到3.2kA，隨后穩(wěn)定在2.0kA左右。

2）有FCL接入。故障限流器在0.31s接入系統(tǒng)，變壓器T1二次側(cè)A相母線電壓、電流變化情況如圖10（a）、圖10（b）所示：與無(wú)FCL接入時(shí)相比，跌落后電壓升至41.9kV，提升幅度約94.9%；短路電流第一個(gè)峰值為 3.2kA，隨后短路短路電流穩(wěn)定在1.1kA，下降約45%。

圖9　三相短路無(wú)FCL接入時(shí)的仿真波形圖

圖10　三相短路有FCL接入時(shí)的仿真波形圖

以上仿真結(jié)果表明，節(jié)能型故障限流器可以有效抑制短路故障發(fā)生時(shí)的電壓降落和短路電流過(guò)大的問(wèn)題。

4　經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

計(jì)算不同電抗率下傳統(tǒng)故障限流器的有功無(wú)功損耗折算損失金額，來(lái)評(píng)估節(jié)能型故障限流器的具體節(jié)能效果。

設(shè)置參數(shù)為：額定電壓 U=10kV，額定電流 I=1500A。以電抗率8%為例，平均工業(yè)企業(yè)電價(jià)為0.5元/kW·h，損耗損失計(jì)算方式如下：

單相損耗（銅耗）： P = 9 .1kW 。

單相功率： ΔP= P +0 .1S= 7 8.46kW。

全年損耗時(shí)間： H = 3 60×24 =8 640h。

利用系數(shù)：β=0.75。

每臺(tái)電抗器一年耗電量：W=3ΔP×β×H=3× 78.46×0.75×8 640 =1 52.53萬(wàn)kW·h。

全年有功損失：0.5×1 52.53 =7 6.27萬(wàn)元。

加裝電抗器后，每相電抗器的電感壓降為ΔU = ZkI = 0 .31×1 500A = 465V 。

線電壓：3× 4 65 =8 04V。

母線電壓降低0.05kV。

功率因數(shù)取0.9。

因加裝電抗器使實(shí)際送出負(fù)荷減少：3×0.05×1500×0 .9 = 1 16.78kW。

利用系數(shù)： β = 0 .75。

每年實(shí)際少送出負(fù)荷為116.78× 8640× 0.75= 75.67萬(wàn) kW·h。

全年無(wú)功損失：0.5×7 5.67 = 3 7.83萬(wàn)元。

以此方法計(jì)算出10%、12%、14%電抗率下傳統(tǒng)限流電抗器每年造成的經(jīng)濟(jì)損失，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　傳統(tǒng)限流器電抗器經(jīng)濟(jì)損失

新型節(jié)能型故障限流器可以有效避免傳統(tǒng)電抗器由于長(zhǎng)期串聯(lián)帶來(lái)的上述損失，從表1可以看出，節(jié)能型故障限流器的節(jié)能效果好，經(jīng)濟(jì)效益明顯，隨著電抗率的增加，節(jié)能效果更加顯著。

5　結(jié)論

隨著電網(wǎng)的發(fā)展，傳統(tǒng)故障限流器仍存在很多問(wèn)題，其中能耗大最為突出。為此，本文提出了一種利用快速開(kāi)關(guān)等技術(shù)改進(jìn)的故障限流器，其節(jié)能效果顯著。這種限流器在原有的故障限流器的基礎(chǔ)上增加了部分結(jié)構(gòu)，而不用對(duì)原有的故障限流器進(jìn)行拆除。這種故障限流器對(duì)電流過(guò)零開(kāi)斷進(jìn)行了改進(jìn)，同時(shí)并聯(lián)ZnO解決了過(guò)電壓?jiǎn)栴}。其中運(yùn)用了快速開(kāi)關(guān)，又使這種構(gòu)想成為了現(xiàn)實(shí)。利用Matlab/Simulink對(duì)節(jié)能型故障限流器的限流效果進(jìn)行仿真分析，并對(duì)其的節(jié)能效果進(jìn)行計(jì)算，均滿足理論預(yù)期。