莫吉漢
中海石油(中國)有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057
隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展,短路故障電流隨著系統(tǒng)容量的增加而增加。如果不能正確及時地處理短路故障電流,不僅會危害電氣設備的安全運行,還會破壞電氣系統(tǒng)的暫時穩(wěn)定,導致電氣系統(tǒng)的線路和運行中斷,造成電氣系統(tǒng)的損失,避免可能導致的大規(guī)模斷電[1]。
將FCL技術引入電力系統(tǒng)可顯著提高系統(tǒng)性能。其主要優(yōu)點是使用FCL減少斷路器的停機負擔,系統(tǒng)不需要復雜的設備更換,成本降低;FCL在短路電流達到峰值之前發(fā)揮作用,降低斷路器熱極限和動態(tài)穩(wěn)定極限的要求,迅速將短路電流限制在一定的水平,降低電路電壓損耗和發(fā)電機失步概率,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性;FCL技術有助于減少斷線前母線電壓的下降時間,并限制系統(tǒng)短路電流,從而有助于減少輸電線路附近的電磁干擾。限流器的分類有以下幾種:
視采用與否可分為失超和非失超型。失超型采用超導材料的超導/正常(s/N)狀態(tài)的過渡特性(即溫度、磁場或電流超過閾值時,超導從無阻狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娮锠顟B(tài),以限制短路電流);非失超型由超導線圈和其他元件(電子或磁性等)組成。通過控制(修改)線路模式限制短路電流。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點,可分為電阻、橋路、磁屏蔽、變壓器和飽和鐵芯型[2]。
限流器以大功率半導體器件為基礎,并與電抗器元件相結(jié)合,達到限制短路故障電流的目的。根據(jù)美國EPRI公司以前的一份研究報告,為半導體器件開發(fā)固體限流技術現(xiàn)實的技術方法。近年來,在發(fā)展大功率半導體器件的基礎上,一系列固態(tài)限流器技術已經(jīng)成熟,其中包括GTO開關固態(tài)、諧振流、串聯(lián)補償性、無損電阻態(tài)限流器等。
超導和主觸頭被電流流過。故障發(fā)生時,超導材料的電阻強度提高,電流進入驅(qū)動線圈。在電磁力作用下,主觸頭高速分離。當觸點之間的電弧光熄滅時,電流將切換到并聯(lián)分支。整個過程只需幾毫秒,目前國外已成功開發(fā)了14KV/630A超導混合限流器。
在系統(tǒng)正常運行期間,電流通過FTS高速機械開關。系統(tǒng)故障時,控制FTS系統(tǒng)停機同時觸發(fā)半導體開關GTO傳導,電弧爐強制電流轉(zhuǎn)向GTO;接下來,檢查GTO中斷,以強制電流進入由PTC電阻組成的有限流支路,從而限制短路電流,整個過程只需幾毫秒。
FCL最重要的功能是限制電力系統(tǒng)中的短路電流,并確保斷路器在發(fā)生故障時的安全分離。電力系統(tǒng)中的限流器不僅應具有限制短路電流幅度的能力,還應具有限制短路電流幅值的能力。與此同時,從操作維護的角度對通用投切的運行邏輯和運行次數(shù)(使用壽命)進行優(yōu)化。除了電流幅度值之外,短路電流和允許電流的增加率也對斷路器的切斷能力有很大影響。在電力系統(tǒng)的設計和實施運行時必須考慮到這些因素,以確保限流器安全開斷。FCL的安裝位置通過系統(tǒng)設計確定,一般安裝在發(fā)電機和變壓器電路、不同類型的供電線路、母線斷路器之間的間隔、分段斷路器之間的間隔等位置。它可以直接實現(xiàn)限制短路電流和確保斷路器可靠分離的目標。此外,可在區(qū)域配電網(wǎng)的接觸線上和低壓和中壓配電網(wǎng)的封閉回路上安裝FCL,以提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。對于具有多電路短路過載的復雜電源系統(tǒng),應考慮FCL的優(yōu)化配置和容量選項。建立了具有全網(wǎng)損耗增量和控制器最小電阻值的優(yōu)化模型,并作為研究對象進行求解。在優(yōu)化問題上,除了考慮經(jīng)濟此外,還考慮到流量限制效應等因素,并以最小短路公差作為目標函數(shù),研究了FCL的最佳配置[3]。
電網(wǎng)發(fā)生故障時,限流電抗器阻抗形式連接電網(wǎng),影響電網(wǎng)的臨時穩(wěn)定性、電能質(zhì)量和潛供電流。迄今為止,F(xiàn)CL在實際應用中沒有改進電網(wǎng)運行的特點,但國內(nèi)外研究人員就這一問題進行了大量學術研究,為擴大FCL的應用前景奠定了堅實的基礎。對于獨立系統(tǒng)和無限制系統(tǒng),通常使用相等面積規(guī)則分析系統(tǒng)臨時狀態(tài)的穩(wěn)定性在這種情況下,輸入FCL電阻可提高幅值功角曲線的故障,從而減小發(fā)生故障時發(fā)電機的加速區(qū)域,提高系統(tǒng)臨時狀態(tài)的穩(wěn)定性。對于不對稱故障,F(xiàn)CL電阻對瞬態(tài)狀態(tài)穩(wěn)定性的影響是復雜的,取決于故障類型、電抗器參數(shù)和故障停機時間。一般來說,即使出現(xiàn)不對稱故障,對FCL的電阻也能大大提高電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。
可再生能源發(fā)電和智能電網(wǎng)技術是解決未來問題的關鍵技術,目前風能和太陽能等新能源在電力系統(tǒng)中所占比例繼續(xù)增加。在配電網(wǎng)中,很大一部分分布式發(fā)電是直接或通過微型電網(wǎng)連接起來的,這帶來了新的安全問題。研究表明,通用FCL限制短路電流、提高風力和光伏系統(tǒng)的低壓穿越能力、改善微網(wǎng)的穩(wěn)定性和控制特性來改進微網(wǎng)的運行。如果電力系統(tǒng)發(fā)生故障,在新能源和故障點之間安裝FCL,可以有效地減小新能源終端電壓衰減幅度,提高新能源的低電壓穿越能力。
電能作為一種清潔無污染的能源,可以遠距離、大容量地輸送和使用,電能利用的廣度和深度,日益成為一個社會現(xiàn)代化程度的重要標志。隨著我國社會的發(fā)展和國民經(jīng)濟的增長,社會各行業(yè)越來越重視電能的使用,因而對電能的需求日益增加。同時電力系統(tǒng)越來越大,結(jié)構(gòu)越來越復雜,對電力的安全性和穩(wěn)定性要求越來越高。FCL 的運用有利于提高電網(wǎng)電壓質(zhì)量和線路的輸電能力,抑制輸電網(wǎng)絡短路電流的危害,提高電網(wǎng)的可靠性。