楊 浩，呂 瑋，劉 彬，汪大全，潘仁秋

（南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

在各種電力系統(tǒng)事故中，短路是危及電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、導(dǎo)致大面積停電最為常見的嚴(yán)重故障之一。近年來，隨著我國電力建設(shè)的不斷發(fā)展、用電負(fù)荷的不斷增加、低阻抗大容量變壓器的應(yīng)用、發(fā)電廠單機(jī)容量的不斷增大以及各大區(qū)電網(wǎng)的互聯(lián)等，使得電力系統(tǒng)中的短路電流水平不斷提高，許多地區(qū)的短路電流水平已經(jīng)直逼甚至超過電力規(guī)程所規(guī)定的最大允許水平，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行以及電力系統(tǒng)中的各種電氣設(shè)備（如斷路器、變壓器、變電站母線、線路構(gòu)架、導(dǎo)線和支承絕緣子以及接地網(wǎng)等）提出了更為苛刻的要求。短路電流限制［1］已成為關(guān)系到我國各大區(qū)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。相比于改變系統(tǒng)運(yùn)行方式、調(diào)整電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、采用高阻抗設(shè)備等常用短路電流限制措施，采用故障限流器（Fault Current Limiter，以下簡稱“FCL”）對電網(wǎng)的影響更小，且建設(shè)工期短，更易于實(shí)施，因此一直以來受到了很多關(guān)注。

FCL是一種串接在線路中的電氣設(shè)備，與普通限流電抗器相比，具備以下幾種功能特點(diǎn)：1）啟動運(yùn)行、正常運(yùn)行或運(yùn)行狀態(tài)相互轉(zhuǎn)化時對電力系統(tǒng)無不利影響；2）保護(hù)范圍內(nèi)的系統(tǒng)發(fā)生短路故障時能立即自動串入限流阻抗并有效限制短路電流至要求的合理水平；3）切除故障回路時不會引起系統(tǒng)暫態(tài)振蕩和過電壓；4）限流阻抗的設(shè)計(jì)不受其他因素制約，有極大的自由度；5）限流水平、限流時間能根據(jù)需要在一定范圍內(nèi)可調(diào)，與繼電保護(hù)及其他自動控制裝置可以協(xié)調(diào)配合；6）具備軟重合閘功能，利于改善重合閘操作，避免斷路器等電氣設(shè)備重合于永久性故障回路時的二次沖擊。

FCL根據(jù)其構(gòu)成原理可以分為超導(dǎo)型、固態(tài)型、串聯(lián)諧振型、熱敏電阻型和電弧電流轉(zhuǎn)移型等多種類型。高溫超導(dǎo)型FCL［2-10］由于其應(yīng)用條件的苛刻和昂貴的價格，尚不具備應(yīng)用推廣的條件；固態(tài)型FCL［11-12］由于電力電子器件的高損耗和低抗浪涌能力，不適合于應(yīng)用在高壓大功率的電力系統(tǒng)中；串聯(lián)諧振型FCL［13］結(jié)構(gòu)繁瑣，控制復(fù)雜，實(shí)用價值也不高；熱敏電阻型FCL重復(fù)使用性差，電弧電流轉(zhuǎn)移型FCL［14］受電弧電壓影響較大，這兩種也都不適合高電壓場合。

相較于以上類型的FCL，快速開關(guān)型FCL 屬于利用傳統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)短路電流限制的限流器，被歸為“經(jīng)濟(jì)型”FCL一類。目前，大量的研究集中于新型超導(dǎo)限流器或者電力電子型限流器方向，而在實(shí)際應(yīng)用中，反而是以快速開關(guān)為代表的“經(jīng)濟(jì)型”FCL在電網(wǎng)中發(fā)揮著更大的作用［15］。

1 快速開關(guān)型故障限流器的原理和組成

快速開關(guān)型FCL主要由快速開關(guān)與限流電抗器并聯(lián)組成［16］，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。正常運(yùn)行時開關(guān)處于合閘狀態(tài)，線路電流從開關(guān)流過，限流電抗器處于旁路狀態(tài)，對電力系統(tǒng)沒有任何影響；發(fā)生短路故障時，線路電流異常增大，F(xiàn)CL控制保護(hù)系統(tǒng)快速檢測到故障，給開關(guān)發(fā)出分閘指令，在5 ms～10 ms時間內(nèi)將快速機(jī)械開關(guān)分?jǐn)?，電流從開關(guān)支路轉(zhuǎn)移到電抗器支路，從而將限流電抗器投入到線路中來限制短路電流（如圖1所示）；當(dāng)控制保護(hù)系統(tǒng)檢測線路電流恢復(fù)正常后，自動將快速開關(guān)合上，電流轉(zhuǎn)移回開關(guān)支路，恢復(fù)正常運(yùn)行。

圖1 快速開關(guān)型FCL的基本結(jié)構(gòu)及短路時的電流流向示意Fig.1 Basic architecture of HSS FCL and diagram of current direction when short-circuit happens

快速開關(guān)是FCL中實(shí)現(xiàn)短路電流高速轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵設(shè)備，如表1 所示，快速開關(guān)彌補(bǔ)了常規(guī)斷路器的不足，適合于短路電流有可能損壞發(fā)電機(jī)變壓器等主設(shè)備時的災(zāi)難性短路事故的保護(hù)。

表1 快速開關(guān)與常規(guī)斷路器的主要參數(shù)比較Table 1 Comparison of main parameters between HSS and normal breakers

如圖2所示，快速開關(guān)整體采用支柱式安裝結(jié)構(gòu)，主要由開關(guān)本體（多斷口并聯(lián)）、柱上控制柜及供能變壓器等組成，F(xiàn)CL開關(guān)本體位于最上方，為了提高耐壓和雷電沖擊耐受能力，本體采用多斷口并列放置、電氣上串聯(lián)的方式，頂部作為開關(guān)的進(jìn)出線，底部通過框架短接，并給柱上控制柜內(nèi)的儲能及觸發(fā)單元提供固定電位。供能變壓器安裝于開關(guān)本體底部，起到對地絕緣作用。單個斷口安裝于密閉的套筒內(nèi)，主要由真空滅弧室、雙穩(wěn)保持機(jī)構(gòu)、緩沖器［17］及電磁斥力操作機(jī)構(gòu)等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 快速開關(guān)外觀圖Fig.2 Outside view of HSS

圖3 快速開關(guān)單斷口結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of single fracture in HSS

2 基于電磁斥力操作機(jī)構(gòu)的快速開關(guān)設(shè)計(jì)

1）儲能觸發(fā)單元及高壓供能裝置的設(shè)計(jì)

快速開關(guān)型FCL的儲能及觸發(fā)單元的主要作用是接收外部分合閘指令，為電磁斥力操作機(jī)構(gòu)提供分合閘所需的脈沖電流。

如圖4 所示，儲能及觸發(fā)單元包括充電回路和觸發(fā)回路［18］，為保證重合閘功能，配置兩套分閘回路。

圖4 儲能及觸發(fā)放電回路Fig.4 Energy-storage and discharge-trigger circuit

充電回路主要將交流電壓源整流后為儲能電容充電，主要包括充電電阻R 和整流二極管D1、D2、D3、D4。

觸發(fā)回路主要包括觸發(fā)開關(guān)TR1、TR2、TR3，續(xù)流二極管D5、D6，以及控制板卡等。由于充電回路采用二極管半波整流，對儲能電容放電側(cè)有過零息弧點(diǎn)，且有10 ms 的反向截止電壓，因此觸發(fā)開關(guān)考慮采用晶閘管。續(xù)流二極管并聯(lián)在斥力線圈兩端，用以防止儲能電容反向充電，同時可以增加脈沖電流在斥力線圈里的作用時間?？刂瓢蹇ㄘ?fù)責(zé)接收外部的光控信號，根據(jù)編碼信號觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管導(dǎo)通，并且對儲能電容電壓進(jìn)行采樣，通過反饋光纖上傳采樣信號。

儲能及觸發(fā)單元的電源來自高壓供能裝置?？焖匍_關(guān)型FCL采用多級隔離變壓器串聯(lián)的方案解決電位隔離問題，如圖5 所示，通過多級供能子單元的串聯(lián)，使得高壓供能裝置能夠承受高壓，并且滿足動、靜態(tài)的均壓要求。隔離供能變壓器采用無局放設(shè)計(jì)，滿足系統(tǒng)對地絕緣水平要求。

圖5 高壓供能裝置設(shè)計(jì)原理圖Fig.5 Design schematic diagram of high-voltage energy-supply device

儲能及觸發(fā)單元一次儲能可實(shí)現(xiàn)一次完整的分-合-分操作。充電回路的電源來自供能單元，交流輸出10 kV，幅值可調(diào)。充電采用半波整流電路，后續(xù)晶閘管開通放電后，由于電容電壓在幾毫秒內(nèi)迅速下降到零，源變壓器仍會通過晶閘管給分合閘線圈放電，從而晶閘管電流不能到零關(guān)斷。只有當(dāng)源變壓器電壓反向后，不能給電容充電，晶閘管電流自動到零從而關(guān)斷，即完成一次晶閘管觸發(fā)。

儲能電容的容量和充電電壓的參數(shù)選型是觸發(fā)回路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，而這些參數(shù)可以通過運(yùn)動質(zhì)量、分閘時間和行程等基本技術(shù)指標(biāo)來反推。

假設(shè)斥力盤在斥力作用下以勻加速運(yùn)動［19］，設(shè)斥力機(jī)構(gòu)將儲能電容的能量轉(zhuǎn)化為運(yùn)動部件動能的效率為η（斥力機(jī)構(gòu)要求電流上升率較高，而且運(yùn)動質(zhì)量也較大，這種情況下效率η較低，一般取10%～20%），根據(jù)能量守恒定律，斥力機(jī)構(gòu)動能

式（1）中，C為儲能電容容量，U0為充電電壓，m為運(yùn)動部件質(zhì)量，s為行程，top為分閘時間。對于儲能電容來說，電容量越小，充電電壓越大，則放電電流上升越快，斥力上升越快。但充電電壓也不可選取過大，否則會導(dǎo)致電容體積和成本的增加。因此應(yīng)根據(jù)式（1）所表述的電容量和充電電壓的關(guān)系，進(jìn)行合理選型。

2）電磁斥力操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

電磁斥力操作機(jī)構(gòu)［20-30］是快速開關(guān)中實(shí)現(xiàn)快速分合閘的主體部件，其工作原理是通過預(yù)充電的儲能電容向分閘或合閘線圈放電，產(chǎn)生的脈沖電流在線圈周圍產(chǎn)生交變磁場，同時在鋁盤（斥力盤）上產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的磁場與線圈產(chǎn)生的磁場之間產(chǎn)生較強(qiáng)的作用力，帶動連桿運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的快速分?jǐn)嗷蜿P(guān)合。

目前常見的斥力盤和線圈均為扁圓盤形式，內(nèi)、外徑基本相等，其結(jié)構(gòu)形式如圖6 所示。斥力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于線圈半徑、線圈匝數(shù)和斥力盤厚度等重要結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)。

圖6 斥力盤與線圈結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure diagram of ERM disk and coil

斥力盤厚度h2的選取主要取決于斥力盤中渦流的趨膚深度δ。如式（2）所示，趨膚深度δ與斥力盤磁導(dǎo)率μ、斥力盤電導(dǎo)率ε以及放電回路的諧振頻率f相關(guān)。

選取好線圈半徑參數(shù)之后，可以計(jì)算出線圈匝數(shù)。線圈繞制時填充率τ 一般選在0.5～0.7 之間，如τ 取0.55，則線圈匝數(shù)

以220 kV快速開關(guān)為例，要求其達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示，根據(jù)以上參數(shù)設(shè)計(jì)方法，可以反推出電磁斥力機(jī)構(gòu)（以及其儲能觸發(fā)單元）可采用的設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 220 kV快速開關(guān)電磁斥力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Design parameters of 220 kV HSS ERM

在平面導(dǎo)體中，渦流密度大小一般是隨著距離導(dǎo)體表面距離的增加呈指數(shù)衰減，當(dāng)透入深度達(dá)到δ時，渦流密度衰減到表面渦流密度的37%（即1/e），因此斥力盤高度至少應(yīng)達(dá)到2δ高度。

線圈內(nèi)半徑由絕緣拉桿的外徑?jīng)Q定，絕緣拉桿需要承受一定的拉伸力，為保證拉桿的強(qiáng)度，可選擇拉桿的外徑為30 mm，即線圈的內(nèi)半徑R1為30 mm。

線圈外半徑的選取與線圈尺寸盤之間的耦合系統(tǒng)k相關(guān)。耦合系數(shù)越大，則勵磁線圈產(chǎn)生的磁力線與斥力盤相交鏈得越多，斥力盤感應(yīng)渦流越大，斥力越大，因此k值應(yīng)盡可能大。而耦合系數(shù)k與線圈的外徑和高度比成正比，當(dāng)線圈的外半徑R2與高度h1之比在9～12 之間時，k值較大，如果再增加R2和h1之比，k值增加不明顯，反而這時增大該比值帶來的缺點(diǎn)的影響相對較大。因此可選擇外半徑R2是高度h1的9 倍。如取線圈高度h1為10 mm，則線圈外半徑R2為90 mm。

3 仿真與樣機(jī)實(shí)測

通過Ansoft 有限元3D 瞬態(tài)場可以建立斥力機(jī)構(gòu)實(shí)際模型，模型中采取表2中的參數(shù)。

電磁斥力機(jī)構(gòu)有限元3D仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 3D仿真結(jié)果：斥力、保持力、位移和速度Fig7 3D simulation result:repulsion,retention,displacement and speed

從仿真波形可以看出：斥力峰值122.6 kN，達(dá)到峰值的時間為1.1 ms，與理論概算時設(shè)計(jì)值1 ms接近；而分合閘保持力的峰值為2 kN，分、合閘保持力遠(yuǎn)小于斥力，在斥力盤加速運(yùn)動過程的作用基本可以忽略；斥力機(jī)構(gòu)在3 ms 內(nèi)的行程為29.6 mm，比理論設(shè)計(jì)的行程30 mm低了1.3%。

根據(jù)以上分析和仿真所獲得的如表2 所示的參數(shù)，試制了基于電磁斥力操作機(jī)構(gòu)的200 kV快速開關(guān)樣機(jī)，樣機(jī)采用4斷口串聯(lián)形式，其中每兩個斷口共用一組儲能及觸發(fā)回路。這兩個斷口的斥力線圈相互串聯(lián)，保證了分合閘的一致性，節(jié)省的觸發(fā)回路數(shù)量，同時也容易使觸發(fā)回路獲取高電位。

圖8 是將樣機(jī)的儲能電容充電到720 V 時進(jìn)行分閘實(shí)驗(yàn)時的分閘位移波形，從測試波形可以看出，樣機(jī)在720 V儲能電壓下，暫態(tài)絕緣開距13 mm時，分閘時間約3 ms，滿足設(shè)計(jì)需求。

圖8 分閘位移波形Fig.8 Test waveform of opening displacement

到2018 年吉泉直流工程投運(yùn)，以及大量配套火、風(fēng)電機(jī)組的接入，五彩灣地區(qū)220 kV短路電流水平進(jìn)一步急劇上升，使運(yùn)行方式安排更加困難，難以支撐新的大用戶自備電廠接入，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性、大用戶自備電廠經(jīng)濟(jì)性，以及后續(xù)五彩灣地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展都受到嚴(yán)重制約。

為解決五彩灣地區(qū)電網(wǎng)短路電流超標(biāo)問題，昌吉國泰新華電廠在其220 kV 主變出線側(cè)安裝了1 臺220 kV 全電壓大容量快速開關(guān)型故障限流器（如圖9所示）。該故障限流器的額定電流為1 600 A，額定短路開斷能力為40 kA，其在本文所述的電磁斥力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)和方法的基礎(chǔ)上，從絕緣耐壓、高速緩沖、分閘速率等方面進(jìn)行了工藝上的改進(jìn)。

圖9 國泰新華快速開關(guān)型FCL外觀Fig.9 Outside view of HSS FCL used in Guotai Xinhua power plant

4 工程應(yīng)用實(shí)例

昌吉國泰新華電廠位于新疆昌吉準(zhǔn)東地區(qū)自備電廠集中區(qū)域，電廠裝機(jī)容量2×350 MW，通過220 kV霞國泰雙線、彩霞雙線接入750 kV五彩灣變電站［31］。五彩灣地區(qū)由于大量火電機(jī)組的接入以及網(wǎng)架的不斷加強(qiáng)，短路電流持續(xù)超標(biāo)，以往需通過運(yùn)行方式調(diào)整等手段降低220 kV廠站短路電流水平，限制了運(yùn)行方式的靈活性，降低了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定水平。由于運(yùn)行方式的限制，還影響到了大用戶自備電廠的正常運(yùn)行，降低了經(jīng)濟(jì)效益。

圖10 至圖13 所示為昌吉五彩灣地區(qū)電網(wǎng)某750 kV線路進(jìn)行某次單相人工接地短路試驗(yàn)時故障限流器的動作波形，故障限流裝置動作時國泰新華電廠僅2 號機(jī)運(yùn)行，主變高壓側(cè)電流有效值在650 A 左右，故障限流裝置動作定值為2 800 A（瞬時值）。

圖10 FCL自動分閘期間的線路電流波形Fig.10 Line current waveform during automatic opening of FCL

如圖10 所示，當(dāng)線路B 相發(fā)生接地短路故障時，線路B相電流幅值達(dá)到2 840 A（圖10中接近400 ms時刻），超過動作定值，快速開關(guān)自動分閘；根據(jù)圖11 快速開關(guān)三相電流波形可知，從檢測到故障到三相開關(guān)完全過零開斷時間分別為7 ms、6 ms、3 ms，即經(jīng)過短路電流大半波之后限流電抗器即投入系統(tǒng)；根據(jù)圖10所示，當(dāng)限流電抗器投入系統(tǒng)之后，線路B相（故障相）電流幅值從2 840 A（圖10 中接近400 ms 時刻）降至2 370 A（圖10中接近440 ms時刻）。再過19 ms后（即圖10 中接近460 ms 時刻），故障點(diǎn)繼電保護(hù)動作切除故障，線路電流降低。

圖11 FCL自動分閘時刻的快速開關(guān)電流波形Fig.11 HSS current waveform during automatic opening of FCL

如圖12所示，當(dāng)故障限流快速開關(guān)符合重合條件時自動合閘，恢復(fù)到初始狀態(tài)。如圖13所示，從合閘信號出口（圖13中接近400 ms時刻）到快速開關(guān)支路出現(xiàn)電流（圖13中接近410 ms時刻）的時間為8.5 ms。

圖12 FCL自動合閘期間的線路電流波形Fig.12 Line current waveform during automatic closing of FCL

圖13 FCL自動合閘時刻的快速開關(guān)電流波形Fig.13 HSS current waveform during automatic closing of FCL

從試驗(yàn)結(jié)果可知，在近區(qū)電網(wǎng)短路故障期間，安裝于昌吉國泰新華電廠的故障限流裝置正確動作，并在短路電流的1個周波之內(nèi)進(jìn)入限流狀態(tài)，在一定程度上限制了昌吉國泰新華電廠支路饋入故障點(diǎn)的短路電流，故障限流裝置動作性能可靠，對系統(tǒng)的正常運(yùn)行無不利影響。

5 結(jié)語

本文在介紹快速開關(guān)型故障限流器的功能、原理和組成的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述了電磁斥力操作機(jī)構(gòu)及其供電和觸發(fā)單元的參數(shù)設(shè)計(jì)方法，并通過仿真及樣機(jī)實(shí)測結(jié)果說明了設(shè)計(jì)方法的正確性，而快速開關(guān)型故障限流器在新疆五彩灣地區(qū)電網(wǎng)中的應(yīng)用，證明了其對于限制電網(wǎng)故障電流、提高電網(wǎng)運(yùn)行安全穩(wěn)定水平的有效作用，具有推廣應(yīng)用價值。