串聯補償型故障電流限制器應用研究*

湯偉，楊鋮，劉洋，蓋振宇

（1.安徽電力調度控制中心，合肥230022；2.中電普瑞科技有限公司，北京102200）

0 引 言

我國電力系統規模增加，及電力系統之間的互聯，出現了一個新的突出問題：各電壓等級電網的短路電流不斷增加。我國經濟發達地區的負荷和負荷密度增加迅速，這些地區的短路電流已經達到甚至超過了系統中開關元件的遮斷容量［1-3］。若要降低短路電流水平，傳統的方法是或需巨大的投資改造電網，或需在運行方式上做出一定犧牲，這些會影響電網運行的靈活性、安全性和可靠性，而且缺少針對短路電流的方向性及選擇性［4-6］。

故障電流限制器 （Fault Current Limiter，FCL）是一種抑制短路電流大小的設備。它的特點是：在系統正常時，對系統而言整體阻抗為零或非常小，而在電網中發生短路故障時，其阻抗迅速增大，降低短路電流的峰值和穩態值，保證開關設備可以正常斷開，提高設備運行的可靠性，避免更換容量更大的電氣設備所造成的經濟和基建上的損失［7］。故障電流限制器已歷經40多年的研究和發展過程，實現原理有很多方法，種類形式繁多。根據限流的材料類型，可將FCL分為新型材料和常規材料類型。新型材料以超導型、PTC熱敏電阻型為主要類型，常規材料以電力電子器件、變壓器磁通補償型、氧化鋅避雷器為主要類型。目前超導型［8-9］、電力電子型FCL是研究的熱點［10-13］。

本文提出了一種具有串補功能FCL，系統正常時作為以串補結構運行，提高線路的傳輸功率；在系統發生故障時，故障檢測系統控制裝置轉變為限流模式。對其應用于電網后進行分析，證明該FCL具有良好的限流和補償效果。

1 具有串補功能的故障電流限制器

1.1 結構

具有串補功能的FCL屬于一種電力電子型FCL，其拓撲結構如圖1所示，主要是由一個固定電容器C、旁路電感L1（并聯）、串聯電感L2、反并聯的晶閘管閥、保護用的MOV、旁路開關K、故障檢測系統和閥觸發系統等組成。

圖1 FCL結構拓撲圖Fig.1 Components topology of FCL

電容C的容抗大于串聯電感L2的感抗，在系統正常運行時，FCL對線路可以起到串聯補償的作用，即晶閘管截止，電感L1退出，電流從電容器C流過；故障時，故障檢測系統觸發晶閘管導通，兩個方向的閥輪流導通，將旁路電感L1接入系統中，L1、C選擇適當的參數，并聯后可以得到較大的電抗，與L2串聯后共同限流，改變晶閘管的導通角，可在不同的短路情況下改變限流程度。

如僅在故障期間用于旁路電感L1的快速投入，則用晶閘管閥等半控器件應是足夠的。當然也可以用GTO、IGCT等全控器件代替圖1中的晶閘管閥，控制元件的開通和關斷，以獲得更好的性能。

1.2 工作原理

旁路電感L1的等值電路如圖2所示。

晶閘管的導通角σ直接影響電感L1的等效值，短路電流為：

式中i（t）為流經 L1的電流； u（ωt）為等值電路兩端的電壓；L為L1的電感值；θ為晶閘管的觸發角；σ為晶閘管的導通角。

圖2 并聯電感L1的等值電路Fig.2 Equivalent circuit of shunt inductor L1

如果電壓源只含基波分量，并進行傅里葉分解，可得電流的基波分量：

由此可得L（σ）為：

則 X（σ）為：

從而可得FCL的總限流電抗XL為：

由以上關系可知，改變導通角σ，可以改變限流電抗XL，從而可以改變限流程度。

根據晶閘管開通時刻不同，σ數值的范圍是：0°～180°。設σr為旁路電感L1與等效電容C發生并聯諧振程度最大時的晶閘管所對應的導通角。當σ從180°逐漸減小時，限流程度增大，電流減小且為感性；當減小到σr時，旁路電感L1和電容器組等效電容C發生并聯諧振，此時等效電抗無窮大，限流程度最大，電流最?。划斝∮讦襯后，隨著σ的減小，電流增大且為容性，電容兩端的電壓也會增大。C和L1的等效阻抗性質隨晶閘管導通角變化的關系見表1。

表1 等效阻抗性質Tab.1 Equivalent impedance characteristic

所以，為提高限流器的限流效果，導通角σ合適的取值范圍是σr≤σ≤180°。

1.3 限流率和補償度

帶串聯補償的FCL還有兩個表征性能的重要參數，分別是限流率α和補償度k。

（1）限流率 α（0＜α＜1）

該參數可以用安裝FCL前后短路電流If與IL或系統阻抗X與限流阻抗XL來表示，關系如下：

（2）補償度 k

該參數是用FCL總容抗Xco與線路電抗Xline按以下方式定義的：

則：

2 安徽電網2017年短路電流水平分析

隨著安徽電網規模的日益擴大，不僅線路潮流考驗著電網的安全運行，短路電流的快速增長更是對故障后電網安全可靠運行的能力提出嚴峻的考驗。因此，本節將對2017年安徽電網在不采取分層分區、故障限流器等措施下的短路水平進行考察，重點是500 kV變電所的500 kV和220 kV母線，如表2所示。

表2 主要500 kV變電站短路電流水平（kA）Tab.2 Fault current level ofmain 500 kV

由表2可知，變電站內500 kV電壓等級的母線短路電流一般在25 kA～48 kA的范圍內，斷路器均可以正常開斷，有一定裕度；而220 kV母線發生短路時，存在短路電流接近或超過斷路器遮斷容量、設備裕度不足的情況。

電網負荷的不斷增加，新增電源的投入等因素的綜合作用，若不采取相應的措施，安徽電網將會出現更嚴重的短路電流超標，不但威脅電網中現有電氣設備的安全穩定運行，甚至需要花費大量的投資進行設備更換和改造改建，影響系統的正常運行，而且在新變電站的設備選擇上需增加裕度，使得投資大大增加。

3 FCL的應用分析

3.1 選點分析

根據限流要求和效果，故障限流器在電力系統中的安裝位置主要有以下四種［14］：

（1）輸電線路，用以限制輸電線路的短路電流，可以保護用戶側低壓設備；

（2）變壓器低壓側，在系統發生短路時由FCL限制系統的短路電流，保護變壓器的安全；

（3）雙母線間的聯絡線，用來限制2個母線間的短路電流，并能有效提高故障后母線電壓水平；

（4）區域電網之間的聯絡線，發生短路時由FCL限流，解決斷路器遮斷容量不足的問題。

根據表2的220 kV母線故障時短路電流水平，選擇肥北站做短路后各分支短路電流分量的分析計算，結果如表3所示。

表3 220 kV母線單相短路后各分支短路電流（kA）Tab.3 Branch currents after single-phase short circuit happened in 220 kV busbar（kA）

500 kV肥西站全接線模式下的短路電流組成情況如圖3所示。

圖3 短路電流組成Fig.3 Composition of short-circuit current

從表3和圖3可以看出，肥北站的220 kV母線發生短路故障時，一臺主變提供的短路電流比例超過了20%，高于其他220 kV線路提供的短路電流。在系統正常運行時，兩個母線的電源和負荷是對稱的，母線聯絡線上基本沒有功率穿越，而當某一側母線發生短路故障時，母線聯絡線成為故障電流的主要通道，兩個母線也會出現很大的電壓降落，非故障母線所連接的負荷不能得到正常的電力供應。在母線聯絡線安裝FCL不但可以有效地限制非故障母線提供的短路電流，而且故障后FCL投入還可以維持非故障母線的電壓水平，有利于電力系統的穩定運行，提高電能質量。因此，應用于安徽電網的故障電流限制器，合適的安裝位置是500 kV變電站的220 kV母線聯絡線上。

3.2 故障電流限制器應用安徽電網的限流效果

結合2017年安徽電網結構，以肥北變電站220 kV母線作為研究對象，將故障電流限制器安裝在該站220 kV母線I和II的連接開關處，如圖4所示。

當母線I和母線II同時運行，t＝1 s時II母線側的某條線路首端發生A相接地故障，沒有安裝FCL時流過母聯開關的電流和非故障母線的電壓波形仿真結果見圖5、圖6。

圖5 無FCL時母聯開關的A相電流ig.5 A phase current of bus tie switch without FCL

圖6 無FCL時母線I的A相電壓Fig.6 A phase voltage of busbar without FCL

由圖5和圖6可看出，母聯開關的短路電流峰值約為72 kA，受故障影響，母線I的A相電壓接近為0，降落較大。

經過計算，安裝在母線聯絡線上的FCL電氣參數為：C＝100.6μF，L1＝20.1 mH，L2＝40.3 mH，II母線側的某條線路首端A相接地故障前后，流過母聯開關的電流和非故障母線的電壓波形仿真結果如圖7、圖8所示。

圖7 有FCL時母聯開關上的A相電流Fig.7 A phase current of bus tie switch with FCL

圖8 有FCL時母線I的A相電壓Fig.8 A phase voltage of busbar with FCL

由圖7和圖8可看出：加裝FCL后，母聯開關的短路電流峰值被降至14 kA以下，限流率達到了80%，而且母線I的電壓降落幅度大大減小，FCL的效果明顯。

3.3 故障電流限制器應用的補償效果

在應用線路的FCL中若設置多組不同數值的電容器與C并聯，利用串聯的開關投切電容器，形成不同的組合方式，就可以靈活調節線路等效電抗值，按需求調整FCL對線路的串聯補償度［15］。

為分析 FCL的串聯補償效果，設其應用在220 kV電壓等級輸電線路中，線路長度為110 km，單位長度線路的參數為：L＝1.02 mH／km，R＝0.05Ω／km，C＝10.5 nF／km。設 FCL的各電容器參數取值分別是：C＝102.3μF，C1＝16.9μF，C2＝45.1μF。經過計算，不同電容器組合方式下線路的補償度如表4所示。

從表4可以看出，投入不同組合的電容器，可以實現對輸電線路的可控串聯補償，補償度分別為36%、42%、56%和70%，具有提高系統傳輸能力、控制系統潮流、提高系統暫態穩定性方面的作用。

表4 不同電容器組合方式下FCL的補償度Tab.4 Equivalent FCL impedance of different compensation degrees

4 結束語

提出了一種應用于電力系統的具有串補功能的故障電流限制器，進行了理論分析、數學模型研究，并對安徽電網500 kV變電站短路電流水平進行了分析，確定了FCL的應用點，利用軟件仿真的結果表明：FCL能夠在系統發生故障時迅速響應，快速限制短路電流，減小電壓暫降，保證系統運行的穩定性，提高電氣設備的安全性。且其應用在輸電線路中在穩態運行時，采用并聯電容器調節線路電抗值，實現串聯補償功能，提高電網的輸電能力和電壓穩定性。因此，該種具有串補功能的FCL在電網中具有廣闊的應用前景和良好的經濟效益。