楊帆，張旭，葉其革

(廣州電力設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州510075)

0 引言

隨著珠三角經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，廣東電網(wǎng)中珠三角電網(wǎng)的互聯(lián)緊密，樞紐站數(shù)量眾多，電廠、變電站出線較多，加深了電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，短路電流水平加劇[1－2]。尤其是近年來，廣東電網(wǎng)的裝機(jī)容量和500 kV網(wǎng)架建設(shè)都高速發(fā)展，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)滿足了廣東電網(wǎng)負(fù)荷增長和可靠性供電的需求，但同時(shí)也帶來了珠三角地區(qū)500 kV電網(wǎng)短路容量的穩(wěn)步增長。500 kV電網(wǎng)全接線條件下，短路電流水平超過60 kA的站點(diǎn)有10個(gè)，超過63 kA的有3個(gè)，平均短路電流水平42·4 kA[3]。盡管部分方式下可以通過調(diào)整電網(wǎng)結(jié)構(gòu)來降低短路電流水平，但也降低了電網(wǎng)運(yùn)行安全裕度。在不改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的情況下，壓減電源開機(jī)和出力也是降低短路電流水平的措施之一，受此影響近兩年惠蓄電站在夏季迎峰度夏期間不能全開機(jī)運(yùn)行，無法完全發(fā)揮其調(diào)峰作用。

電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，通常會(huì)以斷路器開斷線路的方式來應(yīng)對(duì)。但隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，短路電流的急劇增加，許多地區(qū)電網(wǎng)均有斷路器難以開斷的潛在隱患。目前我國能夠批量生產(chǎn)應(yīng)用的500 kV斷路器的最大開斷容量為63 kA，較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的真空斷路器的開斷能力均在50 kA以下，當(dāng)短路電流大于最大開斷電流時(shí)，線路中會(huì)因電弧的作用而使得斷路器無法正常工作。因此，短路容量的急劇增加已成為電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的嚴(yán)重隱患和亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題之一[4－5]。

為了限制短路電流而又不增大系統(tǒng)阻抗，20世紀(jì)70年代初John C·Cronin就提到了故障電流限制器(Fault Current Limiter，F(xiàn)CL)[6]。經(jīng)過30多年的發(fā)展，特別是近幾年隨著大功率半導(dǎo)體器件、高溫超導(dǎo)技術(shù)以及微電子控制技術(shù)等的發(fā)展，涌現(xiàn)出了各種類型的故障限流器[7－8]，不同故障限流器的具體工作機(jī)理各不相同，但最基本的限流原理一樣:都是在系統(tǒng)正常運(yùn)行條件下對(duì)外不呈現(xiàn)阻抗，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)迅速串入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，呈現(xiàn)高阻抗?fàn)顟B(tài)以起到限制短路電流的作用。針對(duì)高壓及超高壓電壓等級(jí)、90 kA級(jí)別短路電流的應(yīng)用場景，基于高耦合分裂電抗器(High Coupled Split Reactor，HCSR)[9]的 限 流 器 在110 kV、220 kV、500 kV電壓等級(jí)有著良好的應(yīng)用前景。根據(jù)廣東電網(wǎng)2021年規(guī)劃方案，廣東電網(wǎng)將在廣南站建設(shè)基于HCSR的500 kV限流器示范工程，該示范工程可抑制短路電流90 kA，限流幅度達(dá)40%及以上，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行損耗≤0·02%，成為世界上首個(gè)500 kV/90 kA限流器示范工程[10]。

基于高耦合電抗型的500 kV/90 kA限流器裝設(shè)在線路上后，會(huì)對(duì)廣東電網(wǎng)整個(gè)系統(tǒng)的潮流分布造成一定的影響。以廣南站500 kV/90 kA限流器示范工程為背景，利用BPA[10]仿真軟件研究在500 kV限流器接入(10 ms/20 ms啟動(dòng))后，限流器接入后對(duì)系統(tǒng)潮流分布的影響進(jìn)行了仿真研究，主要包括耦合系數(shù)對(duì)無功潮流的影響。

1 500 kV限流器工作原理

基于高耦合度分裂電抗器工作原理接線如圖1所示。

圖1 基于HCSR的并聯(lián)型斷路器原理圖

高耦合電抗器HCSR由相互耦合的兩個(gè)線圈組成，兩個(gè)線圈一端短接，另一端分別連接相互并聯(lián)的斷路器，形成兩個(gè)相互并聯(lián)的支路[11－12]。當(dāng)兩個(gè)支路都有電流通過時(shí)，兩個(gè)線圈產(chǎn)生的磁通在公共磁路內(nèi)相互抵消，使得線圈對(duì)外只表現(xiàn)出很小的漏電感；而當(dāng)兩個(gè)支路電流不均衡或只有單個(gè)支路通流的情況下，線圈產(chǎn)生的磁通較大，對(duì)應(yīng)的電感線圈對(duì)外表現(xiàn)為較大的電感，可限制對(duì)應(yīng)支路的故障電流。由于耦合線圈的上述作用，基于HCSR的并聯(lián)型斷路器能夠?qū)崿F(xiàn)并聯(lián)斷路器的自動(dòng)均流、限流，從而有效提高斷路器的載流、開斷能力。

由于基于HCSR的限流器拓?fù)渚捎每焖匍_關(guān)，而單個(gè)快速開關(guān)難以滿足暫態(tài)恢復(fù)電壓要求，因此考慮通過多個(gè)限流器模塊串聯(lián)來降低對(duì)單個(gè)快速開關(guān)的開斷能力要求[13]。如圖2所示，采用兩個(gè)限流器模塊串聯(lián)，每個(gè)HCSR的單臂電感為4 mH，耦合系數(shù)均為0·97，快速開關(guān)共有4個(gè)。

圖2 兩個(gè)模塊串聯(lián)的限流器改進(jìn)拓?fù)涫疽鈭D

對(duì)于三相接地短路和三相不接地短路故障，根據(jù)已有的研究結(jié)果，兩個(gè)相同限流器串聯(lián)的限流效果與采用一個(gè)單臂電感8 mH的HCSR完全相同。目前所給模型的單個(gè)限流器的單臂限流電感為4 mH，耦合系數(shù)為0·97，均流情況下HCSR的漏電感為(1－0·97)/2×4 mH＝0·06 mH，對(duì)應(yīng)的等效阻抗約為0·018 85 Ω；限流情況下HCSR單臂電感為4 mH，對(duì)應(yīng)的等效阻抗約為1·256 6 Ω?？紤]到兩個(gè)限流器串聯(lián)工作，因此在正常工作中，均流情況下，HCSR的漏電感為0·12 mH，對(duì)應(yīng)的等效阻抗約為0·037 7 Ω；而在限流情況下，HCSR單臂電感為8 mH，對(duì)應(yīng)的等效阻抗為2·513 2 Ω。

基于HCSR的并聯(lián)型斷路器在動(dòng)作之前，HCSR起到均流作用，保證兩并聯(lián)支路電流基本相同，此時(shí)HCSR對(duì)外表現(xiàn)為漏電感，在分析HCSR對(duì)繼保的影響時(shí)，需要考慮HCSR漏電抗對(duì)電網(wǎng)中各個(gè)電氣量的影響。而HCSR的耦合系數(shù)很高，對(duì)應(yīng)的漏電感很小，在耦合系數(shù)為0·97的情況下，單臂電感為4 mH的HCSR的漏電感僅為0·06 mH(等效阻抗約為0·018 85 Ω)。因此，在成套裝置動(dòng)作之前，HCSR的等效阻抗與線路阻抗相比很小。

風(fēng)險(xiǎn)事件后果嚴(yán)重性可通過事故情景構(gòu)建和事故演化過程分析，采用問卷調(diào)查的方式讓專家或一線工作人員結(jié)合自身風(fēng)險(xiǎn)管理經(jīng)驗(yàn)從人員傷亡、直接經(jīng)濟(jì)損失、環(huán)境損失等多個(gè)角度進(jìn)行評(píng)估.

2 基于BPA的限流器等效模型

在BPA軟件中，沒有限流器模型。為此，需要設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的等效電路以代替限流器的動(dòng)作。限流器工作有兩個(gè)階段，分別是均流階段和限流階段。在均流階段，限流器開關(guān)不動(dòng)作，限流器對(duì)外表現(xiàn)為漏電抗；在限流階段，限流器開關(guān)動(dòng)作，限流器對(duì)外表現(xiàn)為大電抗[14]。

為了體現(xiàn)限流器的特性，同樣設(shè)計(jì)兩條線路電抗來對(duì)實(shí)際中的限流器模型進(jìn)行等效。兩條電抗回路并聯(lián)時(shí)，其等效電抗等效為漏電抗；當(dāng)其中一條線路斷開時(shí)，其對(duì)外電抗為限流器工作電抗。

支路1電抗X1設(shè)置為8 mH，等效電抗為:

所安裝線路的基準(zhǔn)電壓為500 kV，容量基準(zhǔn)為100 MVA，因此可以得到阻抗基準(zhǔn)值為XBase＝2 500 Ω，因此，支路1的阻抗標(biāo)幺值為0·001。

耦合系數(shù)為0·97時(shí)，支路2與支路1并聯(lián)后的等效電抗為0·12 mH，根據(jù)并聯(lián)公式，應(yīng)滿足如下關(guān)系:

式中，X1、X2分別為支路1、支路2的電抗，XA為等效電抗。

根據(jù)上述公式，可以求解得到支路2的電抗為:

根據(jù)基準(zhǔn)值，可以得到支路2對(duì)應(yīng)的電抗標(biāo)幺值為0·000 015 3。

在均流階段，兩條線路均接入電路，對(duì)外表現(xiàn)為漏電抗；在限流階段，第二條并聯(lián)線路斷開，第一條線路不進(jìn)行任何操作，此時(shí)線路對(duì)外表現(xiàn)出大電抗。

500 kV順德—廣南限流電抗器工程2021水平年及系統(tǒng)方式下，流過限流器的短路電流水平計(jì)算結(jié)果見表1。從表1可見，當(dāng)不考慮限流器單元連接處發(fā)生接地故障時(shí)，接入限流電抗器后，單相接地線路短路電流水平由未接限流電抗器的90 kA水平降低至49·6 kA，限制水平超過了40%；最大峰值電流限制到119·1 kA。

表1 流經(jīng)500 kV順德—廣南限流電抗器的短路電流 kA

3 500 kV限流器接入對(duì)廣東電網(wǎng)潮流的影響分析

廣南站500 kV/90 kA限流器示范工程限流電抗器安裝在廣南—順德甲線廣南站內(nèi)，廣南站及周邊電網(wǎng)潮流分布如圖3所示。

圖3 廣南站及周邊電網(wǎng)潮流分布

在正常情況下，將加裝限流器前后的潮流分布情況進(jìn)行比對(duì)，以網(wǎng)損作為對(duì)比分析對(duì)象。表2為耦合度為0·97的網(wǎng)損結(jié)果。從表2中不難發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，限流器不會(huì)對(duì)電網(wǎng)的正常運(yùn)行造成影響，僅僅會(huì)增加很小一部分的無功網(wǎng)損。

表2 耦合度為0.97的網(wǎng)損結(jié)果對(duì)比

進(jìn)一步對(duì)不同耦合度限流器接入電網(wǎng)對(duì)潮流造成的影響進(jìn)行分析，分別給出耦合系數(shù)為0·95和0·90情況下的系統(tǒng)潮流分布，結(jié)果見表3—4。

表3 耦合度為0.95的網(wǎng)損結(jié)果對(duì)比

表4 耦合度為0.90的網(wǎng)損結(jié)果對(duì)比

當(dāng)耦合系數(shù)為0·95時(shí)，單臂電感均流情況下HCSR的漏電感為(1－0·95)/2×4 mH＝0·10 mH，對(duì)應(yīng)的等效阻抗約為0·031 416 Ω，限流情況下HCSR單臂電感為4 mH，對(duì)應(yīng)的等效阻抗約為1·256 6 Ω。兩個(gè)限流器串聯(lián)在正常工作中均流情況下，HCSR的漏電感為0·20 mH，對(duì)應(yīng)的等效阻抗約為0·062 83 Ω；而在限流情況下，HCSR單臂電感為8 mH，對(duì)應(yīng)的等效阻抗為2·513 2 Ω。

當(dāng)耦合系數(shù)為0·90時(shí)，單臂電感均流情況下HCSR的漏電感為(1－0·9)/2×4 mH＝0·20 mH，對(duì)應(yīng)的等效阻抗約為0·062 83 Ω，限流情況下HCSR單臂電感為4 mH，對(duì)應(yīng)的等效阻抗約為1·256 6 Ω。兩個(gè)限流器串聯(lián)在正常工作中均流情況下，HCSR的漏電感為0·40 mH，對(duì)應(yīng)的等效阻抗約為0·125 66 Ω；而在限流情況下，HCSR單臂電感為8 mH，對(duì)應(yīng)的等效阻抗為2·513 2 Ω。

根據(jù)上述仿真結(jié)果可知，在加裝限流器前后，電網(wǎng)的無功損耗有所增加，但增加不大；同時(shí)由于限流器的接入，導(dǎo)致了部分潮流的轉(zhuǎn)移，因此系統(tǒng)有功功率的損耗也發(fā)生了變化。除此之外，加裝限流器前后，系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓幅值和相角并未發(fā)生明顯變化，即限流器的安裝并不會(huì)對(duì)電網(wǎng)正常工作情況下的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。

4 結(jié)論

本文以廣南站500 kV/90 kA限流器示范工程為背景，利用BPA仿真軟件研究在500 kV限流器接入(10 ms/20 ms啟動(dòng))后，對(duì)系統(tǒng)潮流分布和暫態(tài)穩(wěn)定功角差的影響進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明:

1)在穩(wěn)態(tài)情況下，由于500 kV限流器的耦合系數(shù)較高，對(duì)外表現(xiàn)的漏電抗較小，不會(huì)影響系統(tǒng)正常工作時(shí)的節(jié)點(diǎn)電壓。但是其對(duì)外表現(xiàn)的漏電抗，仍然可能造成無功損耗的增加。綜合給出的所有仿真結(jié)果，無功損耗的增加值通常低于0·5 Mvar。

2)隨著耦合系數(shù)的降低，限流器對(duì)外呈現(xiàn)的漏電抗越大，會(huì)拉低節(jié)點(diǎn)的正常工作電壓，同時(shí)會(huì)增大電網(wǎng)中的無功損耗，因此應(yīng)盡量提高限流器的耦合系數(shù)。