一種混合型短路電流限制器的研究

顧丹虹，周 旻，傅曉平，陸 艷，石 峰，暢 偉，許小卉

（國網浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000）

一種混合型短路電流限制器的研究

顧丹虹，周 旻，傅曉平，陸 艷，石 峰，暢 偉，許小卉

（國網浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000）

隨著電力系統設備規模和供電規模的不斷擴大，互聯程度也越來越高，由此導致電網的短路阻抗減小而短路電流水平急劇增大。不斷增大的短路電流會對設備本身及其通信線路造成不同程度的危害，甚至影響到整個系統的安全穩定運行。為此，提出了一種混合型短路電流限制器，分析了其基本工作原理并推導了數學模型，并進行了模型設計，通過仿真驗證了該設計的可行性。

電力系統；短路電流限制器；混合型；故障檢測；鐵芯結構；Saber

0 引言

近年來，電力系統的不斷擴容使得短路電流限制技術成為制約電力系統發展的技術瓶頸之一。20世紀70年代，國內外專家提出了FCL（短路電流限制器）的概念[1]，打開了短路電流限制技術的新局面。目前，FCL種類繁多，根據工作原理及材料的不同大致可分為常規材料型FCL和SFCL（超導型FCL）2類。其中SFCL是研究熱點之一，根據工作原理的不同可分為電阻型[2]、磁屏蔽型[3]、變壓器型[4]、三相電抗器型[5]、橋路型[6]、有源型[7]、飽和鐵芯型等[8]。文中在飽和鐵芯型SFCL的基礎上提出了一種混合型FCL，分析了其基本工作原理并推導了數學模型，進行了模型設計，通過仿真驗證了該設計的可行性。

1 混合型FCL的理論分析

1.1 飽和鐵芯型FCL原理分析

目前，對配電網和傳輸級設備來說，最適合的就是飽和鐵芯型SFCL技術。它由2個完全相同的鐵芯電抗器組成，基本結構如圖1所示。

圖1 飽和鐵芯型FCL基本結構

飽和鐵芯型SFCL的基本原理是利用鐵磁材料磁導率的變化來限制潛在的短路電流。當系統正常運行時，直流偏置線圈3和4使2個鐵芯處于深度飽和狀態，此時線圈1和2中流過交流線電流，所產生的磁場不足以使鐵芯脫離飽和區，裝置呈低阻抗狀態；發生短路故障時，不斷上升的短路電流會產生一個足夠強的磁通來使鐵芯由飽和狀態轉入高電感狀態，從而達到限制短路電流的目的。

飽和鐵芯型SFCL的優點突出：在其工作期間，直流偏置線圈沒有超導態到常態之間的轉變，因此反應時間和恢復時間都很短。但其缺點也很明顯：首先，直流偏置系統在短路故障期間需要承受巨大的故障電流，對線圈要求較高；其次，直流偏置系統通常采用超導材料，超導材料的冷卻過程將產生更多的操作損耗；另外，在現有的設計中，每個鐵芯限制半個周期的交流正弦電流，單相系統的全短路電流保護需要2個鐵芯，三相系統就需要6個鐵芯，增加了限流器的尺寸、重量和成本。

1.2 混合型FCL基本工作原理

1.2.1 FCL技術要求

理想的短路電流限制器需要滿足以下要求[9]：正常工作期間限流器零損耗；故障限流期間高輸入阻抗；體積小，質量輕，成本低；減小短路電流達45%～55%；動作時間在1/4周期（5 ms）內；準確的故障檢測；能承受至少1 s的短路電流。

為滿足上述要求，在飽和鐵芯型SFCL的基礎上提出了一種混合型FCL，如圖2所示。該混合型FCL由快速開關CB1及其控制器、鐵芯及繞組、MOV（金屬氧化物壓敏電阻）3部分并聯組成。其中VLN為系統電壓；Xsource為系統電抗；RL為等效電阻；LL為等效電感。

圖2 混合型FCL原理

1.2.2 混合型FCL工作原理

（1）系統正常運行時。

CB1閉合，負載電流流過CB1，鐵芯上的繞組中無電流流過，因此鐵芯內無磁通產生，此時混合型FCL裝置零損耗。

（2）發生短路故障時。

一旦控制器檢測到短路故障的發生，混合型FCL進入故障限流模式：CB1在5 ms內斷開，將故障電流轉入繞組線圈，突然流入的正弦交流短路電流將產生一個變化的外加磁場，從而在鐵芯中產生磁通，鐵芯的滯后效應可產生強大的非線性電感來達到限制短路電流的目的。由于一個鐵芯就可以遍歷整個磁滯曲線，因此短路電流的正負半周均能得到有效限制。

（3）短路故障排除后。

當斷路器動作切除故障后，控制器檢測到短路故障被排除，立即控制CB1重新閉合，FCL恢復正常工作狀態。

在CB1斷開和閉合的瞬間，將會產生較大的操作過電壓，會對系統中的設備造成危害。為了抑制操作過電壓，在CB1上并聯1個MOV，用于吸收開關開閉瞬間產生的過電壓，從而保護開關及設備。

與飽和鐵芯型SFCL所不同的是，該混合型FCL裝置中的鐵芯并聯于系統中，因此無需加設直流偏置電路來使鐵芯達到飽和，而系統在正常工作狀態下電流僅流經快速開關而非鐵芯線圈，因此實現了正常工作期間零損耗。另外，一個鐵芯就可以遍歷整個磁滯曲線，可以限制短路電流的正負半周，故該混合型FCL單相保護只需1個鐵芯，三相保護只需3個鐵芯，減少了FCL的總體尺寸、重量和成本，在總體上保持或提高了FCL的功能。

1.3 混合型FCL數學模型

故障發生期間系統的等效電路如圖3所示。

圖3 系統故障期間等效電路

根據安培環路定理，可以得到式（1）：

式中：H為鐵芯中磁場強度；l為磁路長度；N為線圈匝數。

對式（1）求導可得式（2）：

此時系統的回路電壓方程為式（3）：

式中：Φ為鐵芯的磁通。

由于Φ=BS，B為磁通密度，S為鐵芯橫截面積，則可以得到式（4）：

將式（4）和（5）代入（3）可得式（6）：

由此可見，在故障發生期間，鐵芯所產生的非線性電感可建模為磁通密度B和磁場強度H的函數，見式（7）：

2 故障檢測電路設計

為了達到快速識別短路電流的目的，文中采用如圖4所示的故障檢測電路。系統正常工作時，c點電壓為零，電平檢測電路不翻轉；發生短路故障時，移相電路的滯后效應引起c點電壓變化，致使電平檢測電路翻轉發出故障信號。

圖4 混合型FCL故障檢測電路原理

設a，b，c點電壓分別為Ua，Ub，Uc，則有式（8）：

式（8）和（9）聯立，要使c點電壓幅值和相位均為零，則需滿足式（10）：

系統正常工作時，若移相器在頻率f=50 Hz處移相180°，且Ra和Rb的比值滿足式（10），則Uc=0，電平檢測電路狀態不變；發生短路故障后，系統電流增大，此時由于移相電路的作用使得電流相位滯后，b點電壓不能立即跟隨a點電壓變化，從而引起c點電壓的偏差，此時Uc≠0，電平檢測電路經觸發翻轉，實現了故障狀態的檢測。

理想的FCL動作時間是5 ms，因此故障檢測電路必須在5 ms之內對故障迅速作出識別和反應。根據上述分析，移相電路需滿足以下2個條件：

（1）系統正常工作情況下，其傳遞函數需滿足式（10），使得c點電壓Uc=0；

（2）為了在故障發生時實現相位滯后的目的，移相電路需由阻容網絡構成。

為此，文中采用最基本的RC電路作為移相電路[10]，如圖5所示。其中，Ui為輸入電壓，Uo為輸出電壓。

圖5 基本RC移相電路

設角頻率為ω，根據圖5可以得到式（11）：

經整理后得到該RC移相電路傳遞函數為式（12）：

由于系統在正常情況下需要移相180°，為了便于實現，文中采用三階RC移相電路，如圖6所示，每一階移相60°，總共移相180°。

由于一階RC移相電路的輸出電壓存在衰減，衰減程度為1/2，因此三階RC移相電路的輸出電壓衰減至1/8，故在圖6輸出前增加一放大器，使其電壓增益8倍。

圖6 三階RC移相電路

選取電阻R=1 Ω，代入式（13）后可得電容值：

理想情況下，若輸入電壓Ui和輸出電壓Uo疊加后結果不為0，則觸發電平翻轉。實際應用中，系統電流隨時間在不停波動，電壓也在不斷變化，因此，需要對電平翻轉電路設置一個門檻電壓值，只有當Ui和Uo疊加之后的值超過該門檻值電平才發生翻轉，這就避免了快速開關的誤動作。

3 鐵芯材料的選擇和繞組的確定

對于鐵芯材料的選擇主要有以下要求[11]：

（1）矯頑力Hc要大，盡可能使磁滯回線變寬，以增大限流范圍。

（2）飽和磁通密度Bs要大，以便在線圈匝數相同的條件下，具有更大的限流能力。

文獻[12]比較了NdFeB-N42（釹）、SmCo-5（釤鈷）、AlNiCo-8（鋁鎳鈷）和M4（復合鋼）4種鐵芯材料的磁滯回線模型，其仿真波形如圖 7所示。不難發現，AlNiCo-8的飽和磁通密度較大，但是矯頑力太小；M4的矯頑力和飽和磁通密度都太小；SmCo-5的飽和磁通密度與NdFeB-N42較為接近，都比較大，但是矯頑力不如釹。因此選擇釹作為鐵芯材料，由圖中可得其飽和磁通密度約為1.5T。

混合型FCL限流鐵芯的截面積主要由短路情況下其承受的短路容量所決定。目前，隨著電網規模和設備規模的不斷擴大，一般6 kV電壓等級的最大短路電流已超過40 kA，需要采用50 kA等級的斷路器，因此設計最大允許短路電流為50 kA，系統的短路容量SN可由式（15）求得：

圖7 4種鐵芯材料B-H特性曲線

式中：uav為平均額定電壓；It為系統短路電流有效值。

鐵芯的截面積S可由下式得出：

式中：kd為經驗系數，一般取0.054～0.058。

將各數據代入式（15）和（16）后，計算得到鐵芯的截面積為20 cm×20 cm，磁路長度為2.3 m。

由法拉第電磁感應定理可得線圈繞組上的感應電動勢E如式（17）所示：

式中∶f=50 Hz。

當系統發生短路故障時，線圈繞組串入系統中，因此其兩端電壓即為系統電壓Un，則可用式（18）求得線圈匝數N：

將各數據代入式（17）和（18）可計算出線圈匝數，文中選取線圈匝數N=60。

4 混合型FCL模型設計與仿真分析

4.1 混合型短路電流限制器模型設計

為了驗證混合型FCL的可行性，在Saber仿真軟件中建立了一個6 kV系統模型，觀察在發生短路故障時，該系統加裝混合型FCL裝置前后的電壓電流波形變化來分析其限流性能。模型設計所需要的配電網標準系統設計參數以及FCL所需處理線電壓的參數如表1所示。

圖8為6 kV系統加裝混合型FCL的仿真模型圖，由于三相系統對稱且每一相都裝設混合型FCL，因此取一相為例進行分析。圖8中線路阻抗Zl=（0.01+j0.242）Ω，負載阻抗為Z=（6.174+j0.03）Ω。混合型FCL的限流鐵芯由一個非線性電感來代替，設置非線性電感參數為：匝數N=60，磁路長度l=2.3 m，鐵芯面積S=0.04 m2，磁滯回線設計Bs=1.5T，Hc=1.1×106A/m，Br=1.4T，MOV由1個大電阻并聯2個穩壓管代替。

表1 FCL設計參數

4.2 仿真分析

圖8 6 kV系統加裝混合型FCL仿真模型

下面以三相短路故障為例對系統進行仿真分析。仿真設置如下：設置系統運行時間為1 s，三相短路故障發生于0.2 s。由于三相短路故障為對稱故障，在此僅選取A相為代表進行分析。

4.2.1 仿真情況

圖9所示為A相故障點處的電壓波形，在0～0.2 s電壓正常，在0.2 s時電壓過零點，此時發生三相短路故障，隨后電壓歸零。

圖10為未安裝混合型FCL時A相電流波形，0.2 s時發生三相短路故障，A相短路電流峰值達到約50 kA，超出了斷路器的開斷范圍。短路電流經過0.2 s的暫態過渡之后維持穩態值在26 kA左右。

加裝混合型FCL后A相的電流波形如圖11所示。顯然，在加裝混合型FCL之后，A相短路電流峰值由原來的50 kA限制到了23 kA左右，穩態短路電流也由原來的26 kA限制到了約13 kA，電流限制率達到50%以上。

圖9 A相故障點電壓波形

圖10 未安裝混合型FCL時A相電流波形

圖11 加裝混合型FCL后A相電流波形

圖12 為混合型FCL的輸入端電壓波形，對比圖9可以得出如下結論：發生短路故障時，快速開關動作產生的過電壓經壓敏電阻限制之后幅值控制在10 kV以內；混合型FCL限流工作期間，裝置上的電壓約為3 kV，說明該裝置還能提升故障期間線路的電壓水平，減小了電壓驟降對其他用電設備的影響。

圖13所示為短路故障檢測電路的輸出點（對應圖4中的d點）波形，局部放大后如圖14所示，由圖可見，在0.505 s電平檢測電路發生翻轉，即該短路故障檢測電路在5 ms以內就能完成短路故障的檢測，能夠很好地達到短路故障的實時檢測要求。

4.2.2 仿真結果分析

通過對仿真結果的分析可得出以下結論：

（1）混合型FCL具有快速檢測短路電流的能力（5 ms以內）。

（2）混合型FCL對短路電流具有良好的抑制作用，能將短路電流限制在設計要求范圍（45%～55%）之內。

（3）線路發生故障時，加裝混合型FCL能適當提高母線的電壓水平，減小電壓驟降對設備的損害。

圖12 混合型FCL上的電壓波形

圖13 短路故障檢測電路輸出波形

圖14 短路故障檢測電路輸出波形局部放大圖

5 結語

為了抑制電網的短路電流，提出了一種混合型FCL，分析了其工作原理并通過建模仿真驗證了其限流效果。仿真結果證明了該混合型FCL不僅能夠快速有效地限制短路電流，而且系統正常工作期間零損耗，體積小，成本低，具有較高的實用價值。隨著研究的深入，后續還有很多工作有待開展，例如進行樣機實驗，將混合型FCL與繼電保護設備功能集成開發等等，使其在智能電網中發揮更大的作用。

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（本文編輯：方明霞）

Study on A Hybrid Short-circuit Current Limiter

GU Danhong，ZHOU Min，FU Xiaoping，LU Yan，SHI Feng，CHANG Wei，XU Xiaohui
（State Grid Jiaxing Power Supply Company，Jiaxing Zhejiang 314000，China）

With the expansion of power system devices and power supply scale，the power systems are more interconnected，resulting in short circuit impendence decrease and the short circuit current rise.The increased fault current brings varying degrees of damage to devices and communication lines，or even influences the operation safety and stability of the whole system.Therefore，this paper proposes a hybrid short-circuit current limiter，and analyzes its basic operation principle and deduces a mathematical model.After that，it conducts a model design and through a simulation validates the feasibility of the design.

power system；short-circuit current limiter；hybrid；fault detection；core structure；Saber

TM562

A

1007-1881（2016）12-0043-07

2016-10-17

顧丹虹（1989），女，工程師，從事電能表檢定工作。