串聯諧振型限流器主電路的設計

趙永熹，王華昕

(上海電力學院電力與自動化工程學院，上海 200090)

大負荷中心的短路電流迅猛增加導致系統運行方式受到極大限制.傳統限流方式如采用高阻抗變壓器、更換斷路器等成本昂貴，而將電網分片和解列運行會增加系統運行的不穩定因素，因此研制新型的面向超高壓電網的故障限流器迫在眉睫.國內外研究者提出了許多研究方案.文獻［1］提出的超導限流器具有響應速度快、自觸發等特性，但由于超導技術的不成熟，不能在工業上廣泛應用;文獻［2］提出的固態橋式限流器采用可控電力電子裝置，結構簡單，可適應重合閘等復雜操作，但受到裝置電壓等級的限制，只能應用于配電網;文獻［3］和文獻［4］也提出了各種原理的限流器，但都是基于實驗室物理模型，較難應用于超高壓電網.

超高壓電網要求限流器具有極高的可靠性和快速響應短路故障的能力，以適應電網復雜操作的靈活性.文獻［5］分析了串聯電抗器在超高壓電網應用的現狀，串聯電抗器可以限制短路電流，還可以起到控制潮流作用，但限流阻抗不能很大，安裝地點須慎重考慮.文獻［6］提出了基于串聯諧振型的限流器方案.該方案在工程上具有可實現性，又能適應電網的各種復雜操作，較適用于超高壓電網.

限流器原理主要是基于電容器和電抗器串聯諧振機理:短路故障發生時，電容器迅速被旁路，限流電抗器插入系統中，短路電流被抑制下來.因此，如何實現電容器快速旁路是諧振型限流器的關鍵技術.傳統的電容器過電壓保護電路方案主要是串補中采用避雷器、快速開關和間隙相配合的方案.限流器的工況比串補更惡劣，采用傳統保護措施已經滿足不了限流器的要求.針對上述問題，本文建立了限流器阻抗模型，分析了影響限流阻抗的因素，討論了阻抗范圍;介紹了新型限流器過電壓保護拓撲電路，分析了阻尼回路的電流應力，得出了最優拓撲結構;分析了限流器投入電磁暫態過程，研究了保護裝置換流過程的應力;分析了保護裝置的最大應力，為保護裝置的設計和考核提供了理論依據.

1 諧振參數與主電路拓撲結構

1.1 諧振參數設計

設限流器安裝在單機無窮大系統中，其等效阻抗如圖1所示.

圖1 單機無窮大系統等效阻抗

設原系統發生短路時:

加入限流器后，系統發生短路故障10 ms后限流器動作，閥體閉合旁路電容器:

式中:n——抑制因子，代表加入限流器后抑制短路電流效果;

XL0——諧振電容與其并聯的阻尼電抗.

式中k的取值有一定范圍，在工程設計時要躲避6n±1次諧波.而抑制因子n越大，表示限流器抑制短路電流能力越強，但穩態時限流器上諧振電容與電抗上的電壓相等.抑制因子越大，電容上的電壓也就越大，Metal Oxide Variable(MOV)保護水平和能耗也線性增長.若要使限流器工作能力得到提高，必須要優化參數，才能使裝置在合理電氣范圍內工作［7］.

1.2 主電路拓撲結構

限流器的功能是限制系統中的短路電流.諧振型限流器安裝于緊密型網絡，與串補系統工況不一致，因此不能完全參照串補的過電壓保護方案.在傳統的電容器過電壓保護方案中，MOV作為主保護，火花間隙作為旁路電容器的開關［8，9］.在安裝限流器的系統中，短路電流上升時間快，MOV快速達到其整定值動作，大量短路電流經過MOV，造成MOV能耗迅速積累，保護裝置不能迅速動作，會造成其過熱失效風險.

晶閘管閥和火花間隙動作時間都在微秒級別.火花間隙可以承受很高的電流沖擊，晶閘管閥有一定的電氣范圍，但晶閘管閥可靠性比火花間隙要高.火花間隙和晶閘管閥不能長時間耐受大電流，而快速開關可以長時間耐受.保護裝置特性不同，所需阻尼回路也不同，因此可將保護裝置與阻尼回路組合，組成多種拓撲方案.本文在串補和可控串補工程基礎上，設計了3種方案，如圖2所示.其阻尼回路如圖3所示，由MOV加電阻和電抗并聯構成.該阻尼回路的優點是避免電抗器能耗過大，且放電迅速.

方案1是參考可控串補的過電壓保護電路，稱為可控串補型拓撲;方案2是參考串補的過電壓保護電路，稱為串補型拓撲;方案3是在方案1基礎上改進的，稱為串補閥前小電抗型拓撲.3種拓撲均采用MOV，晶閘管閥，火花間隙，旁路開關作為保護裝置.MOV作為主保護，在故障發生后由晶閘管閥快速動作來避免MOV過熱風險，快速開關切換晶閘管閥電流，間隙作為后備保護，以預防晶閘管閥的失效風險.

圖2 限流器過電壓保護電路的3種拓撲結構

圖3 阻尼回路示意

各拓撲方案中保護策略是一致的，但保護裝置不一致，由此造成阻尼回路各有不同.晶閘管閥體對電流應力有一定的要求.對所有拓撲而言，電流最大的應力在短路電流峰值處.而阻尼回路不改變短路電流峰值，因此拓撲方案的最大電流應力一致.但拓撲影響了電流陡度和阻尼電流振蕩時間.對閥體而言，陡度也是電流應力的考核指標，陡度過高也會使閥體受損.

不同拓撲方案中阻尼電流對比見表1.

表1 不同拓撲方案中阻尼電流對比

圖4為閥體初始電流波形.由圖4可知，雖然方案1中阻尼電流陡度最小，但阻尼電抗消耗的能量極大;方案2中的阻尼電流衰減最快，但電流陡度最大;方案3各項指標都較好，采用MOV加電阻的阻尼回路，電流衰減很快，閥前小電抗模式能降低電流陡度.

圖4 閥體初始電流波形

2 電磁暫態過程分析

依照保護裝置投入狀態不同，限流器投入過程可分為MOV動作、閥體動作和快速開關動作3個階段.設故障發生時刻為t0，MOV動作時間為t1，晶閘管閥動作時間為t2，快速開關動作時間為t3，線路斷路器動作時間為t4.當電容器電壓達到避雷器啟動電壓時，避雷器馬上動作.設故障發生時間在200 ms，MOV在203.5 ms動作，故障電流從電容轉移到MOV上，見圖5.

圖5 保護裝置電流曲線

在［t2，t3］區間內，晶閘管閥動作，電容器迅速放電，阻尼回路上有兩個電流疊加，一個是電容器的放電電流，一個是故障電流.保護裝置晶閘管閥將承受大電流的沖擊.圖6為限流器裝置電壓電流曲線.依據圖6，在204.6 ms時閥體閉合，晶閘管閥端電壓立刻下降.在204.6～205 ms內，閥體與MOV換流，MOV電流變化按其電流-電壓曲線變化，閥體電流迅速增長.

圖6 限流器裝置電壓-電流曲線

在這一換流過程中，MOV端口電壓從50 kV變到低電壓有一段時間，電容電流沒有馬上突變.當晶閘管閥體作為一個理想開關時，閥開通，MOV電流轉移到閥上，MOV恢復阻斷狀態需要500 μs.在這段時間內電容器端口電壓還是限制在50 kV，電容器放電電流還沒有上升.流過晶閘管閥的電流是MOV換流的電流.晶閘管閥電流陡度為100 A/μs，這是由短路電流造成的.從205 ms開始到240 ms，保護裝置只有晶閘管閥體導通.

晶閘管閥電流是電容器放電電流與短路電流的疊加，阻尼支路電流-電壓波形如圖7所示.

圖7 阻尼支路電壓-電流示意

由圖7可以看出，晶閘管閥電流在1 ms時上升至62 kA，5 ms后上升至65 kA.電容器放電電流為衰減的震蕩電流，短路電流是含衰減的直流分量.在初始階段閥體電流有強烈的震蕩部分.設開關合閘時間為50 ms.在255 ms處，快速開關合閘，快速開關和晶閘管換流.當旁路開關拒動，閥體流過所有短路電流直到斷路器斷開.假設快速開關未能及時閉合或者沒有動作，那末保護閥要一直工作到斷路器跳開.在短路故障切斷前，故障電流都由閥體承擔.晶閘管閥是電容器的主要保護裝置.閥體工作在斷態和全導通狀態.閥體在導通時是兩個管子輪流導通的，閥體反向恢復電壓很低;閥體全導通時間非常短，在導通區間流經的沖擊電流非常大.

3 算例分析

將限流器安裝于華東地區某潮流輸入通道上，因處于500 kV交流通道聯絡點上，其短路電流超標極其嚴重.設限流指標為40 kA，限流器動作時間限值為1/2周波.仿真軟件采用PSCAD4.0.2，故障發生時刻在 0.21 s.按照上述方法來設計限流器電路參數:限流電抗為10 Ω，阻尼電抗為500 μH，閥前小電抗為410 μH.故障為線路出口處.限流器動作曲線如圖8所示.

圖8 限流器動作曲線

從圖8可以看出，限流器在故障后的1/4周波內動作.當電容器過電壓時，MOV瞬間動作;故障電流檢測后迅速觸發晶閘管閥體和閉合快速開關;閥體導通后，電容迅速放電，MOV能耗停止上升.

4 結論

(1)建立了拓撲結構數學模型，從時域角度分析了限流器各個保護裝置投入過程的阻尼電流變化情況.實驗結果表明，串加閥前小電抗型拓撲(方案3)能有效降低阻尼電流陡度和電流振蕩時間.

(2)依據保護裝置動作時序，分析了限流器電磁暫態過程，研究了保護裝置換流過程的應力水平.詳細分析了晶閘管閥在快速開關故障狀態時的最大應力，為保護裝置的考核和設計提供理論依據.

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