磁元件型故障限流器電網接入技術研究

郄朝輝，朱炳銓，崔曉丹，李兆偉，趙一琰，張子龍，武 迪

（1.南瑞集團有限公司（國網電力科學研究院有限公司），南京 211106；2.國網浙江省電力有限公司，杭州 310007；3.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

隨著特高壓交直流電網的不斷發展，電力系統輸送容量劇增，網架結構愈加復雜。電網發展呈現出裝機容量逐漸增大和互聯電網逐漸擴大的趨勢，造成系統中短路電流增長，部分地區短路電流超過了斷路器的遮斷容量，且上升趨勢不斷增加，嚴重威脅到系統的安全穩定運行。

傳統的短路電流限制技術主要從系統結構、系統運行方式和設備本體上采取措施[1-3]，包括：提升電壓等級，電網分層、分區運行；變電站母線分段運行；改變系統運行方式，防止母線容量集中；采用高阻抗變壓器及發電機；提高斷路器遮斷容量等方式。實際電網運行時，一般組合使用以上多種短路電流限制方式，以期達到最優效果。

上述短路電流限制技術多為被動型的限流措施，其缺點是破壞電網結構，增加穩態運行時系統阻抗，在復雜大電網中適用性差、運行成本高。以浙江電網為例，在電網安全穩定約束下，斷路器遮斷容量的提高受成本和技術約束，部分地區采取傳統的限流措施已經難以有效降低短路故障電流。

近年來出現了一種較為實用的磁元件型故障限流器[4-6]（以下簡稱“故障限流器”），在電網正常運行期間呈現小電抗特性，在電網發生故障后，轉變為大電抗從而有效降低短路電流，故障消失后快速呈現小電抗。依據磁路特性構建故障限流器是一種主動的短路電流限制措施，通過正常運行和短路故障時的阻抗特性抑制短路電流，具有比傳統故障限流技術影響小、效果精準的優勢。

為推進故障限流器的實際電網應用和接入技術，通過結構和原理特性分析，研究故障限流器的響應特性和分析模型。通過建立單機無窮大系統研究和分析故障限流器的限流原理及其對電網安全穩定性的影響，以浙江電網為例，研究故障限流器對輸電斷面輸送功率和接入方案對電網短路電流抑制效果，研究故障電流限制器的電網接入技術。

1 磁元件型故障限流器特性

1.1 磁元件型故障限流器原理

磁元件型故障限流器主要分為磁通約束型和磁飽和開關型，2種故障限流器串聯接入到電網，通過磁通的控制實現響應電抗的快速投入和退出。

磁通約束型故障限流器結構如圖1所示，磁通約束型故障限流器3個繞組繞在同一鐵心上。各繞組的匝數和繞向都相同，分別串聯在電力系統的三相。當電網正常運行時，三相電流平衡運行，零序電流的和為零，鐵心內的磁通量為零，限流裝置對電網呈現非常小的阻抗。在電網發生接地短路故障時，三相電流失去平衡，故障電流被零序電抗和故障電流變化率所限制，電抗值突然增大。

圖1 磁通約束型故障限流器限流原理

磁飽和開關型單相限流原理如圖2所示，磁飽和開關型故障限流器即利用鐵心磁路特性，正常工況下，限流繞組工作在飽和狀態，輸出低阻抗以降低對系統運行的影響。故障工況下，限流繞組工作在去飽和狀態以實現高阻抗限流的目的。磁飽和開關型故障限流器通過3個單相限流結構實現電網故障電流限制。

圖2 磁飽和開關型故障限流器單相限流原理

1.2 磁元件型故障限流器響應特性

由故障限流器的結構及特性可知，2種故障限流器在電網穩態狀態下表現出較低的阻抗，在電網故障情況下線路電流增加時表現為較大阻抗，可限制短路電流。當繼電保護裝置將故障切除后，故障電流為零，限流器呈現較低阻抗。因此，可根據故障限流器的響應特性進行統一外特性建模，用于電網接入技術研究和分析。

如圖3所示，根據故障限流器時間響應特性，整個響應過程劃分為5個階段。

（1）正常階段：故障限流器對外呈現較低阻抗，不影響電網正常運行。

（2）檢測階段：t0時電網發生故障，故障限流器對故障電流進行檢測，確認發生故障。

（3）投入階段：故障限流器檢測到故障后，t1時刻啟動阻抗投入，投入阻抗不斷增大。

（4）持續階段：t2時刻故障限流器設計阻抗完全投入，并持續投入阻抗。

（5）退出階段：t3時刻故障被繼電保護切除，故障電流消失，故障限流器逐步退出阻抗，直至t4時刻投入阻抗恢復，并進入下一個正常階段。

圖3 磁元件型故障限流器動作時序

不同類型故障限流器的響應特性存在差異，磁通約束型故障限流器無需檢測故障電流，檢測階段和投入階段時間延遲小于1 ms。磁飽和開關型故障限流器需要檢測故障電流并需要去磁，檢測和投入共需要30～40 ms時間，投入速度慢于磁通約束型。

2 磁元件型故障限流器電網接入研究

2.1 故障電流限制研究

不同類型故障限流器響應特性和阻抗投入大小不同，通過故障限流器故障電流限制過程分析，研究不同類型故障限流器的故障電流限制效果，支撐故障限流器電網接入研究。

如圖4所示，建立單機無窮大系統，分析故障限流器故障電流限制原理。根據結構原理特性，將故障限流器串聯在系統中。

對于圖4所示的三相電路，短路發生前，電路處于穩態，此時故障限流器對外呈現小阻抗，其a相電流表達式為：

圖4 無限大功率電源供電的三相電路突然短路

式中：Um為電源幅值；R，L和R′，L′分別為系統被短路點分割的兩側電阻和電抗。

當在f點發生三相短路時，故障限流器電感為Lfcl，此時電網被分為2個獨立的電路。左邊的回路即短路回路仍舊與電源連接，而右邊的回路則變為沒有電源的回路。在右邊回路中，電流將從短路發生瞬間的值不斷衰減，一直衰減到磁場中儲存的能量全部變為電阻中所消耗的熱能，電流即衰減為零。在與電源相連的短路回路中，不布置故障限流器的阻抗值變為（R+jωL），布置故障限流器的阻抗變化為（R+jωL+jωLfcl）， 阻抗增加。因此，布置故障限流器后穩態故障電流值必將變小。假定在t=0 s時發生短路，由于電路仍為對稱，a相電流的瞬時值應滿足如下微分方程：

式中：Lfcl為投入的故障限流器電抗。

常微分方程的特解即為強制分量穩態短路電流：Im為穩態短路電流的幅值。

式中： Z 為短路回路每相阻抗（R+jωL+jωLfcl）的模值；φ為穩態短路電流和電源電壓間的相角（arc-

由于故障限流器阻抗的投入，短路穩態電流大幅下降。式（4）的通解對應齊次方程的解：

齊次方程的解即短路電流的自由分量，又稱直流分量或非周期分量，它按照指數規律衰減，即：

式中：C為積分常數，其值為直流分量的初始值；Ta為衰減時間常數，是特征方程p（L+Lfcl）+R的根則a相短路電流的表達式為：

由于在0 s時電流不能發突變，因此0 s時電流為： ia（0）=Imsin（a-φ）+C=Im|0|sin（a-φ|0|）。 故有：

b相和c相短路電流可使用相同方法得到。由式（7）可知，故障限流器在檢測階段和投入階段用時越少，能越早抑制短路電流周期分量，則周期分量抑制效果越好。非周期分量衰減速度相同，初始值包含交流分量和直流衰減分量，故障限流器投入越快，則直流衰減分量越小。交流分量幅值不變，瞬時值與短路時相位和系統阻抗相關。因此，總體而言，故障限流器投入越快，對抑制電流越有利。

2.2 對電網安全穩定影響

故障限流器主要用于抑制故障電流，解決短路電流超標問題，提高斷路器故障切除時動作裕度。一般電網發生短路電流超標時，網架結構較強，系統主要是熱穩定問題。電網網架結構較弱時，短路電流一般不會超過斷路器遮斷電流[7-15]。因此，使用故障限流器抑制短路電流的場景，電網結構較強，電網安全穩定性較好。

以簡單的單機無窮大系統為例，分析磁通約束型故障限流器對電力系統安全穩定性的影響。如圖5所示，正常運行時發電機經升壓變壓器和雙回線路向無限大系統送電，并在其中一回線上加裝故障限流器。

圖5 加裝故障限流器的單機無窮大系統

當其中一回線發生三線短路故障時，故障線路上的故障限流器由于受到短路沖擊變為一個大的電抗，系統間的總電抗及發電機發出的電磁功率表達式分別為：

將X2∑對X進行求導，得出：

可以看出，對于理想的單機無窮大系統，X2∑對X為單調遞減函數。因此，對于單機無窮大系統，不管在輸電線路的任何位置發生故障，只要投入故障限流器，都能使總轉移阻抗X2∑減小。

如圖6所示，發電機的功角特征曲線中P1為正常運行曲線，P3為故障切除后的曲線，P2為不投入故障限流器的曲線，P2t為投入故障限流器的曲線。正常運行時，發電機向無窮大系統輸送的功率為P0，此時原動機的輸入功率為Pt=P0，工作點在a點，對應功角為δ0；發生短路瞬間，發電機功角特征曲線變為P2，工作點轉移到b，此時發電機轉子加速，考慮到故障限流器投入可能的延時，當工作點轉移到c點時，功角特性曲線變為P2t，工作點變為d點，發電機繼續加速到達e點；此時繼電保護動作，故障被切除，功角特性曲線變為P3，工作點到g點，電磁功率增加，發電機轉子受到制動而開始減速，但是仍大于零，因此功角繼續增大，工作點向h點移動。到達h點后，轉子速度減速至同步轉速，功角到達最大值，由于功率平衡還未恢復，所以不能在h點建立同步運行的穩態。發電機的轉子受減速性不平衡轉矩制動，轉速繼續下降，功角開始減小。如果不計能量損失，工作點將不斷來回變動，考慮到震蕩過程中的阻尼，震蕩將逐步衰弱，最終穩定在某一點。在故障發生到故障切除這段時間里，發電機由于功率過剩，轉子加速。因此，故障限流器的投入實質上減少了系統的加速面積S3，使轉子功角搖擺的幅值減少。因此，故障限流器的投入對電網暫態穩定性產生積極作用。

圖6 投入故障限流器后功角特征曲線

選取實際電網數據，仿真計算故障限流器對電網安全穩定性影響。如圖7所示，選取福建—浙江輸電斷面：榕城—蓮都雙回線、寧德—金華雙回線共4回線路，輸電斷面布置故障限流器，仿真分析故障限流器投入后對電網輸電斷面影響。

圖7 福建—浙江輸電斷面

結果如表1所示，投入故障限流器（20 Ω），在斷面關鍵約束故障下，電網斷面極限輸電能力有微小提升，2類故障限流器差異小。因此，在浙福斷面布置故障限流器對輸電斷面極限功率結果表明，故障限流器對電網安全穩定性影響較小。

表1 故障限流器對輸電斷面功率影響

2.3 磁元件型故障限流器接入方案

以浙江電網為例，研究故障限流器（30 Ω）不同接入方案對故障電流限制影響。仿真結果表明，浙江電網喬司站短路電流較大，斷路器開關裕度較小。因此，在喬司站附近位置布置故障限流器，通過對故障限流器不同接入方案進行仿真，比較短路時附近母線和線路分支電流抑制效果，研究故障限流器電網接入方案。

如表2所示，故障限流器布置在短路時分支電流最大位置（喬涌線）的總體抑制效果最明顯，而布置在變壓器高壓側、中壓側等位置，對變電站短路電流、超標線路短路電流水平抑制較弱。主要原因為系統短路時分支電流較小時，故障限流器對故障電流抑制效果總體受限，因此對整體短路電流抑制效果不明顯。

表2 故障限流器不同位置對短路電流影響

3 結語

通過對磁通約束型和磁飽和開關型2類故障限流器的結構特性進行分析，研究了磁元件型故障限流器的時間響應特性。

建立單機無窮大系統，研究磁元件型故障限流器的限流原理、不同類型故障限流器的電流抑制效果和磁元件型故障限流器對電網安全穩定性的影響。故障限流器投入阻抗越大，對抑制故障電流越有利；故障限流器響應速度越快，對抑制故障電流越有利。故障限流器對電網安全穩定性總體有利，通過在實際浙福斷面投入故障限流器，仿真得出故障限流器提升電網輸電斷面功率較小，對電網安全穩定性影響較小。通過浙江電網故障限流器不同接入方案的對比研究，分析得出在短路電流超標最嚴重處布置故障限流器對電網短路電流限制最有利。