馬莉,黃欣,錢勇,吳玫蓉
(1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院,寧夏 銀川 750011;2.華北電力大學(xué),河北 保定 071003;3.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司,寧夏 銀川 750011)
近年來(lái),電網(wǎng)規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)張以及區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)程度的逐漸增強(qiáng),使系統(tǒng)短路故障電流水平急劇增長(zhǎng),部分地區(qū)電網(wǎng)的短路電流水平已經(jīng)達(dá)到規(guī)定允許的最大值,并出現(xiàn)超標(biāo)的趨勢(shì)[1-3]。增大的短路電流不但大幅度增加了設(shè)備成本和選擇配置的困難程度,而且使系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行受到嚴(yán)重威脅,如變壓器電力設(shè)備受到較大短路電流沖擊后安全性遭到破壞[4];變電站因短路電流越限被迫將母線并列運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換為分列運(yùn)行[5],導(dǎo)致系統(tǒng)供電運(yùn)行可靠性大幅下降;另外,系統(tǒng)短路故障引起的母線電壓下降波及系統(tǒng)的電能質(zhì)量也受到了影響[6],因此,日益增長(zhǎng)的短路電流已成為當(dāng)前電網(wǎng)亟待解決的重要問題之一[7-9]。
傳統(tǒng)限制短路電流措施如分層分區(qū)、分列母線等,限流效果明顯,但建設(shè)工期長(zhǎng)、投資大且難以保證電網(wǎng)運(yùn)行可靠性及網(wǎng)絡(luò)完整性[10-11]。限流電抗器原理簡(jiǎn)單易實(shí)施,但系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)會(huì)增加無(wú)功損耗導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性受影響下降[12-13]。傳統(tǒng)限流技術(shù)在限流同時(shí)會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生一些不利影響,采用故障限流器可解決上述矛盾。快速開關(guān)型故障限流器是近年來(lái)提出的一種新型故障限流裝置[14-15],在正常運(yùn)行時(shí)損耗接近于零,對(duì)電網(wǎng)無(wú)不利影響,故障時(shí)可迅速斷開投入限流電抗,使故障電流限至斷路器額定容量以下;故障切除后快速開關(guān)迅速關(guān)合保障電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性。該類型故障限流器在同等限流效果下投資更小[16-17]。本文介紹了快速開關(guān)型故障限流器(fast switch fault current limiter ,F(xiàn)SFCL)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、原理及關(guān)鍵技術(shù);研究FSFCL在系統(tǒng)中的限流效果,利用MATLAB/Simulink仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證,采用PSASP對(duì)FSFCL加入后的暫態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。
FSFCL的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(見圖1)主要由智能快速開關(guān)K、ZNO保護(hù)、旁路開關(guān)KM、CT、隔離變壓器等元件組成。各元件功能如下:
(1)智能快速開關(guān)K。具有快速分合閘特性,系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)短接限流電抗器,使其在系統(tǒng)中的損耗接近為零,故障時(shí),快速投入電抗器限制短路電流。
(2)限流電抗器L。正常運(yùn)行狀態(tài)下被短接,故障發(fā)生后快速被串入系統(tǒng)限流。
(3)金屬氧化物避雷器ZNO。常用于過電壓保護(hù)元件,K開斷瞬間電流轉(zhuǎn)移容易產(chǎn)生過電壓,ZNO可保護(hù)限流裝置的其它元件。
(4)隔離變壓器。其后端接整流供電回路,為二次回路供電。
(5)旁路開關(guān)KM。當(dāng)開關(guān)K發(fā)生故障不能快速分閘,則控制KM閉合,承載線路工作電流。
(6)洛克特種線圈CT。用來(lái)獲取母線的電流值從而監(jiān)測(cè)短路電流。
圖1C1為分壓電容,C2為高壓耦合電容。
圖1 FSFCL拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
快速開關(guān)的微損耗限流裝置在電網(wǎng)中正常工作時(shí),隔離變壓器從分壓電容器組兩端取電,為控制器和電源盒供電。正常運(yùn)行狀態(tài)下的工作電流流過閉合的智能快速開關(guān)K,被短接的限流電抗器產(chǎn)生的功率損耗接近于零。發(fā)生故障后系統(tǒng)短路電流突增,控制器收到洛克CT傳來(lái)的系統(tǒng)電流大于設(shè)定值的短路信號(hào)后可快速精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)出電流過零點(diǎn)時(shí)刻,并將該信息傳送給智能快速開關(guān)K分閘,收到信號(hào)后的K在靠近過零點(diǎn)時(shí)刻分閘,電抗器L被串入到線路中。系統(tǒng)故障切除后,控制器監(jiān)測(cè)到系統(tǒng)電流值恢復(fù)到臨界值以下,及時(shí)向K傳遞合閘信息,L退出線路的同時(shí),系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)[18]。當(dāng)快速開關(guān)故障不能分合閘動(dòng)作,控制器會(huì)立即控制接觸開關(guān)KM合閘。
快速開關(guān)可在20 ms內(nèi)開斷,其結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要由真空滅弧室、永磁保持機(jī)構(gòu)以及電磁斥力機(jī)構(gòu)等部件組成。其工作原理為分閘開關(guān)收到斷路器分閘命令后,分閘儲(chǔ)能元件立即向分閘線圈放電產(chǎn)生磁場(chǎng)感應(yīng)出銅盤的渦流磁場(chǎng),渦流磁場(chǎng)和原始磁場(chǎng)產(chǎn)生反向斥力,從而使銅盤向下運(yùn)動(dòng),通過傳動(dòng)桿推動(dòng)斷路器動(dòng)觸頭向下運(yùn)動(dòng)完成分閘操作[19]。分閘分散度≤0.1 ms;合閘分散度≤0.2 ms。
圖2 快速開關(guān)機(jī)構(gòu)原理
FSFCL采用的短路電流過零點(diǎn)分相開斷技術(shù)可實(shí)現(xiàn)該動(dòng)作要求,過程包括:短路電流快速識(shí)別—過零點(diǎn)預(yù)測(cè)—精確相控開斷。其中,短路電流快速識(shí)別通過電流瞬時(shí)值和變化率來(lái)判斷,控制器依據(jù)預(yù)測(cè)出的短路電流有效值在故障發(fā)生后的數(shù)毫秒內(nèi)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)到短路電流過零時(shí)刻[20-21]??焖匍_關(guān)過零開斷限流如圖3所示,t1時(shí)刻發(fā)生短路故障,控制器接收到短路電流增大的信號(hào)并通過算法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出各相電流過零點(diǎn)時(shí)刻,t2時(shí)刻(電流過零點(diǎn)前臨界時(shí)間)快速真空開關(guān)觸頭分離,t3時(shí)刻(電流過零時(shí)刻)滅?。欢搪冯娏骺焖俎D(zhuǎn)移到電抗器L限流[15]。
圖3 短路電流過零開斷限流
(a)短路發(fā)生瞬間電路
(b)限流器接入系統(tǒng)后電路
(c)等效短路限流效果
未接入FSFCL前系統(tǒng)的的短路電流大小Id為
(1)
(2)
限流比為
(3)
限流深度:
(4)
限流電抗接入系統(tǒng)進(jìn)行限流,由于快速開關(guān)兩端承受電壓大小受限,單個(gè)FSFCL的限流電抗不能過大,在高電壓等級(jí)系統(tǒng)限流時(shí),單組限流器的限流深度有限,因此,限流裝置在高電壓等級(jí)應(yīng)用時(shí),通常采用多級(jí)串聯(lián)的形式。
本文采用Matlab/Simulink軟件仿真系統(tǒng)線路發(fā)生短路故障時(shí)FSFCL的限流效果,以三相短路故障為例,研究在安裝FSFCL前后線路的短路電流和電壓變化,110 kV系統(tǒng)三相短路故障仿真測(cè)試系統(tǒng)如圖5所示,在Matlab/Simulink仿真接線如圖6所示。系統(tǒng)參數(shù)如下描述。
FSFCL電感:80.86 mH。
線路l1:x1=0.4 Ω/km,r2=0.08 Ω/km,長(zhǎng)30 km。
圖5 仿真系統(tǒng)電路
線路l2:x2=0.4 Ω/km,r2=0.08 Ω/km,長(zhǎng)15 km。
變壓器T1:SN=35 MVA,K1=220/110,Vs=10.5%,Ps=144 kW,P0=30.8 kW,I0%=0.6。
變壓器T2:SN=20 MVA,K1=110/35,Vs=10.5%,Ps=78 kW,P0=22.5 kW,I0%=0.66。
變壓器T3:SN=125 MVA,K1=220/13,Vs=10.5%,Ps=445 kW,P0=130.5 kW,I0%=0.7。
負(fù)荷LD1:SLD1=3 MVA,cosφ=0.9。
負(fù)荷LD2:SLD2=10 MVA,cosφ=0.9。
負(fù)荷LD3:SLD3=5 MVA,cosφ=0.9。
在系統(tǒng)中設(shè)置0.3 s發(fā)生三相短路故障,仿真未接入任何限流措施、接入串抗及接入FSFCL后系統(tǒng)短路電流變化,仿真結(jié)果如圖7所示。圖7(a)中未接入任何限流措施時(shí),系統(tǒng)的短路電流在0.3 s達(dá)到最高峰值3.67 kA,經(jīng)過一段時(shí)間后達(dá)到穩(wěn)態(tài)值2.0 kA。在仿真系統(tǒng)設(shè)置發(fā)生故障后的0.015 s 時(shí)刻FSFCL接入,其短路電流變化如圖7(b)所示,短路電流在0.3 s達(dá)到的最高峰值為3.52 kA,隨后穩(wěn)定在1 kA左右,接入FSFCL后的短路電流限制效果接近50%。
圖6 FSFCL限流模型
(b)接入FSFCL
(a)未接入任何限流措施
(b)接入FSFCL
發(fā)生故障后測(cè)得的T1二次側(cè)電壓變化情況如圖8所示,圖8(a)未接入任何限流措施時(shí),發(fā)生短路故障,電壓下降到38.2 kV;圖8(b)接入FSFCL時(shí),電壓下降到62.7 kV,相對(duì)無(wú)限流措施,電壓提升了64.13%。
在電網(wǎng)中安裝FSFCL后限流同時(shí)也會(huì)對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,因此,本文采用電力系統(tǒng)分析綜合程序(PSASP)軟件校驗(yàn)FSFCL投入后系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性。功角穩(wěn)定性是系統(tǒng)受到大擾動(dòng)后發(fā)電機(jī)功角曲線不失擺,且在第二擺后逐漸趨于穩(wěn)定;系統(tǒng)受到的大擾動(dòng)通常指短路、斷線故障等。以寧夏330 kV線路安迎I線短路故障為例,校驗(yàn)FSFCL接入后系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性變化,PSASP穩(wěn)定計(jì)算數(shù)學(xué)模型如下:
(1)發(fā)電機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
發(fā)電機(jī)穩(wěn)定計(jì)算時(shí)數(shù)學(xué)模型選用綜合程序中的模型3(按照國(guó)家電網(wǎng)安全穩(wěn)定計(jì)算技術(shù)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算),該模型不僅包含了Ed″、Eq″、Eq′的變化,并同時(shí)考慮了發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)、調(diào)速系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性的影響。
(2)負(fù)荷模型。
發(fā)電廠的廠用電負(fù)荷按恒阻抗,電動(dòng)機(jī)設(shè)置。
(3)動(dòng)作時(shí)間。
FSFCL動(dòng)作時(shí)間設(shè)置為15 ms,系統(tǒng)切除故障時(shí)間為0.1 s。
分別設(shè)置不同參考條件下系統(tǒng)發(fā)電機(jī)的功角穩(wěn)定性,仿真結(jié)果如下:
(1)發(fā)電機(jī)組G1、G2、G3、G4的功角穩(wěn)定特性。
以線路發(fā)生三相短路故障為例,圖9為接近故障點(diǎn)發(fā)電機(jī)組G1、G2、G3、G4在安裝FSFCL前后的功角變化,黑色曲線為安裝FSFCL后的功角,剩余顏色均為安裝前的功角變化曲線。由圖可知,在安裝FSFCL后系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組依舊保持功角穩(wěn)定,且安裝FSFCL后的發(fā)電機(jī)組功角穩(wěn)定性增加。
圖9 安裝FSFCL前后不同發(fā)電機(jī)組功角變化
(2)不同限流深度。
發(fā)生三相短路故障后,不同限流深度下,發(fā)電機(jī)G4功角曲線如圖10所示,F(xiàn)SFCL的限流電抗越大,轉(zhuǎn)子最大搖擺角越小。此時(shí),由于發(fā)電機(jī)輸出功率提高從而使加速面積減小,系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性升高。
圖10 不同限流深度時(shí)G4功角變化
(3)不同故障切除時(shí)間。
圖11為不同故障切除時(shí)間下的發(fā)電機(jī)功角變化,切除時(shí)間為60 ms時(shí)的功角最小,隨著切除時(shí)間的增加,發(fā)電機(jī)功角逐漸增大,當(dāng)切除時(shí)間達(dá)到200 ms時(shí),未安裝FSFCL的發(fā)電機(jī)組功角失去同步,安裝FSFCL的發(fā)電機(jī)功角在經(jīng)歷了一段時(shí)間的振蕩后收斂到了一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)。相比于未安裝FSFCL,安裝FSFCL后的系統(tǒng)極限切除角增加,系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性提升。
(a)故障切除時(shí)間60 ms
(b)故障切除時(shí)間100 ms
(c)未安裝FSFCL故障切除時(shí)間200 ms
(d)安裝FSFCL故障切除時(shí)間200 ms
(1)介紹了一種基于快速開關(guān)的低損耗新型故障限流裝置,其技術(shù)參數(shù)滿足大電網(wǎng)對(duì)限流裝置的快速性、可靠性和安全性的要求。
(2)利用 MATLAB/Simulink及PSASP 軟件分別搭建FSFCL在110 kV系統(tǒng)和330 kV系統(tǒng)中的仿真模型,仿真結(jié)果表明:在系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)FSFCL短路電流限制效果達(dá)到50%,電壓提升了64.13%,抑制效果明顯,且接入系統(tǒng)后的暫態(tài)穩(wěn)定性顯著提升。