變壓器低壓側短路電流限制器仿真研究

唐 震，郭 垚，劉澤宇

（1.國網山西省電力公司電力科學研究院，山西太原030001；2.山西大學，山西太原 030013）

0 引言

隨著負荷需求的快速增加，電力系統規模不斷擴大，并不斷向特高壓、大容量、大規模和大電網互聯方向發展，必然導致輸配電系統整體短路電流水平不斷提高。這不僅對電網斷路器的開斷能力是一個嚴峻的考驗，同時短路電流對變壓器等設備的損害也是必須予以考慮的問題。對于斷路器、變壓器等設備，短路電流限制器就是解決短路電流過大的有效途徑之一[1-4]。本文主要探討短路電流限制器對變壓器保護的影響。

1 國內外短路電流限制器的研究概況

電力系統的穩定性和可靠性需要進一步提高限制短路電流的水平，如果斷路器不能快速有效地開斷過大的短路電流，將對電力系統中用電設備造成極大的損壞。如果僅僅依靠提高電氣設備承受短路電流的能力，顯然在經濟性和技術方面都不是一個很好的解決方案，因而必須采取有效措施來限制電力系統短路電流快速增長的問題[5]。

1.1 國內短路電流限制器研究概況

隨著短路電流限制器日益受到重視，國內很多單位投入到其研究與應用中。2007 年，天津機電工業控股集團公司等單位聯合研制的35 kV 超導磁飽和型限制器在云南省普吉變電站正式掛網試運行[6]；陜西電力科學研究院研發的DXK1 系列產品在多方面已經達到甚至超過國外產品的水平[7]；上海交通大學在磁控開關型故障限制器領域開展大量研究的基礎上，開發了適用于中高壓電網領域的一種磁控開關型故障限制器，并在試驗室完成了故障限制器樣機的研制[8]；華中科技大學和哈爾濱工業大學分別在串聯補償裝置基礎上開展了具有串聯補償作用的限制器仿真研究工作[9]。

1.2 國外短路電流限制器研究概況 [10]

20 世紀90 年代，美國電力科學研究院在電力系統固態限制器方面的研究進展迅速，1993 年初，Mort Monmouth 的Army Power Center 的4.6 kV 交流饋電線路上安裝了1 臺由反并聯可關斷晶閘管GTO（gate turn-off thyristor）構成的固態斷路器，在短路故障發生0.3 ms 內切斷故障；在超導故障限制器工程應用方面，美國的Lockheedmartin 公司、General Atomics 公司分別于1995 年、1999 年研制了2.4 kV/80 A 和15 kV/20 kA 的橋路型超導限制器；在混合型限制器方面，日本關西電力公司與富士電機聯合開發了400 V 由真空開關和GTO 并聯構成的配電用混合式限流分斷裝置；2008 年，由ABB 公司向上海寶鋼股份有限公司供應的12 kV Is-快速限制器（Is-Limiter），可保證在1 ms 內快速開斷，使短路電流在發生瞬間就開斷。

近年來，世界各國的工程技術人員一方面繼續完善固態限制器的性能并使其能夠滿足現場運行要求，同時積極促進商業化、實用化；另一方面，積極探索多功能限制器的研究，主要集中在串聯無功補償和限流的功能組合領域。

2 短路電流限制器仿真分析

基于爆破切割技術的短路電流限制器[11]（以下簡稱“短路電流限制器”）分為觸頭型和無觸頭型兩類。本文所研究的短路電流限制器屬于無觸頭型產品，其原理是在開關導流排或管的薄弱環節——斷口下放置微型炸藥，短路時引爆炸藥將斷口炸斷，高速切斷電流通路，開斷時間一般可達1 ms 數量級，因其工作可靠，在國外已得到廣泛應用。國內生產廠家在總結國外研制、生產和運行經驗的基礎上，立足國內實際和技術水平，自主研發了基于爆破切割技術的短路電流限制器，目前在電力系統中已得到廣泛的應用，并已取得了良好的效果。

2.1 短路電流限制器原理

短路電流限制器由快速隔離器、高壓熔斷器、控制器、導線、電流測量傳感器（羅氏線圈）以及附屬組件等構成，正常運行時，電流流過導線、電流測量傳感器和快速隔離器；發生短路故障時，電流測量傳感器將短路電流信號送至控制器，控制器對信號進行分析處理。若短路電流超過整定值，控制器將輸出觸發信號脈沖，使爆破切割系統快速隔離器在幾百微秒內高速斷開，將短路電流全部轉移到高壓過限流熔斷器，熔斷器熔斷后，實現短路電流開斷，完成故障切除。

短路電流限制器可在短路電流尚未到達峰值前將其快速斷開，即短路電流在第一個半波被限制到預期短路電流峰值的15%～50%，整個斷開時間小于10 ms，極大地降低了故障電流總能量，使電力設備得到有效地保護，降低了短路電流對其的損壞程度。

2.2 短路電流限制器仿真研究

2.2.1 高壓限流熔斷器的建模

高壓限流熔斷器是開斷故障電流的最后環節，其動作特性直接關系到短路電流限制器的性能。熔斷器切斷短路電流的暫態過程實質上是熔體從溫升到燃弧再到熄弧的復雜電弧過程。文獻[12]借助有限元分析軟件ANSYS 對熔斷器熔斷過程進行仿真模擬，得到了熔斷器的弧前時間—電流特性以及熔斷過程中熔斷器等效電阻的非線性時變曲線（如圖1所示的“原始曲線”）。本文采用線性電阻插值的方法建立高壓限流熔斷器仿真模型，這種方法的基本思路是按照特性曲線不同時刻的電阻值控制電阻接入，模擬的特性曲線如圖1 所示的“本文曲線”。

圖1 熔斷器非線性特性曲線

2.2.2 控制器邏輯

短路電流一般具有幅值大、變化快的特性，因此短路電流限制器的控制器中設置了電流瞬時值i和電流瞬時變化率di/dt 兩個定值。只有當兩個判據同時大于設定值時才輸出動作信號，從而在保證可靠性的同時增強了抗干擾能力，保證了短路電流限制器的有效快速動作。

2.2.3 短路電流及限制措施仿真

為了掌握各種措施對變壓器低壓側短路電流的限制效果，本文基于PSCAD/EMTDC 電磁暫態仿真程序建立的230/115/37 kV 三相三卷變壓器低壓側故障仿真模型如圖2 所示。仿真系統參數如下：等值阻抗0.3 Ω；變壓器Y0-Y0-Δ，150 MVA，230/115/37 kV；110 kV 系統負荷P1+jQ1=100+j30，35 kV系統負荷P2+jQ2=j30+j6。故障點設置在變壓器低壓側（35 kV 側），故障時刻3.0 s，故障時間0.1 s，下同。

a）無短路電流限制措施故障仿真。變壓器低壓側無短路電流限制措施時，在變壓器35 kV 側模擬三相短路，仿真結果如圖3 所示。

圖2 短路電流限制器仿真系統

圖3 無短路電流限制措施的三相短路故障

從圖3 可以看出，變壓器35 kV 側三相短路時，流過35 kV 斷路器的電流峰值已達到61.69 kA，當斷路器額定遮斷電流為20 kA 時，此時短路電流已超過了斷路器的正常開斷范圍，因此必須采取措施進行限制。

b） 電抗器限制短路電流。為了限制變壓器35 kV 側的短路電流，首先采用串聯電抗器的方法進行短路電流限制，一般情況電抗器的取值范圍為0.15～0.9 Ω，這里選定電抗器阻抗值0.5 Ω。下面對采用電抗器限制措施以及采用電抗器后的電壓降低程度進行仿真，結果如圖4 所示。仿真系統參數同上。

圖4 采用限流電抗器限制短路電流的仿真結果

從圖4 可以看出，在35 kV 側三相短路故障時，采用串聯電抗器的方法可以將短路電流限制到40.1 kA，電抗器前后的電壓有效值分別為21.24 kV和21.22 kV（壓降為0.02 kV，小于5%）。這說明采用串聯電抗器可以限制短路電流且效果明顯。但由于電抗器在運行時一直串聯在供電回路中，這樣勢必造成很大的損耗。

c）短路電流限制器開斷短路電流。按照短路電流限制器的基本原理建立PSCAD/EMTDC 仿真模型，將其串接變壓器低壓側。為了驗證模型的有效性，下面基于所建模型，開展短路電流限制器故障方式的仿真分析。短路電流限制器啟動定值設置為：瞬時值取7.0 kA，變化量取10 kA/s。變壓器低壓側三相短路仿真結果如圖5 所示。

圖5 短路電流限制器三相短路故障仿真結果

由圖5 可知，變壓器35 kV 母線出線處3.0 s三相短路故障時，采用短路電流限制器在3.007 5 s時將短路電流開斷，整個開斷過程7.5 ms，說明采用短路電流限制器能夠快速開斷故障。

d）短路電流限制器旁路限流電抗器。變壓器低壓出口的限流電抗器唯一的用途就是限制系統的短路電流。如在限流電抗器兩端并聯1 臺短路電流限制器，正常運行時，負荷電流幾乎全部流過短路電流限制器；當母線或出線發生兩相或三相短路時，短路電流限制器快速開斷使電抗器投入，起到限制短路電流的作用。

短路電流限制器的具體作用如下：一是節能降耗，采用短路電流限制器將電抗器旁路后具有顯著的節能降耗作用。二是消除無功損耗，電抗器存在巨大的無功損耗，影響變電站帶負荷的能力，采用短路電流限制器后徹底消除限流電抗器的無功損耗，起到了降低線損、改善系統功率因數的作用。三是提高供電質量，電抗器一般會使母線電壓降低3%～8%，若遇到大型感性負載（如大容量電動機等）投入，電壓降則更大。裝設短路電流限制器后，將使電壓質量得到提高。四是消除干擾，消除了電抗器磁場及噪聲對環境和設備的干擾，以滿足國家有關電磁場干擾強制標準要求。

當35 kV 側3.0 s 時刻發生三相短路時，限制器投入使用，將短路電流限制在10 kA 以內。10 ms 時間之內短路電流限制器的高壓限流熔斷器斷開，限流電抗器投入運行。仿真結果如圖6 所示。

圖6 限制器旁路電抗器的仿真結果

從圖6 可以看出，正常運行時電流全部流過限制器，在變壓器35 kV 側三相短路時，短路電流限制器在7.3 ms 時將短路電流轉移到限流電抗器上。這樣既能在正常運行時減少電抗器的損耗，又可以在故障時將電流全部轉移到限流電抗器上，達到限制短路電流和節能降耗的目的，長期運行將節省大量資金。

3 短路電流限制器對變壓器保護的影響

電力系統中的繼電保護裝置，不間斷地監視各種電氣設備（發電機、變壓器、母線與線路等）的運行狀況并貫穿從發電、輸電直至配電和用電的整個過程，以保證最大限度地連續供電和最小的故障損失。短路電流限制器作為一種新型保護設備已得到普遍應用。由于短路電流限制器主要是應用在變壓器低壓出口處，其接入低壓側，改變了系統阻抗，進而引起了電氣量的變化，故下面以此為例來分析短路電流限制器對繼電保護的影響。

3.1 變壓器保護典型配置

3.1.1 主保護

配置兩種不同原理的變壓器差動保護以及本體非電量保護。

3.1.2 高壓側及中壓側后備保護

a）帶偏移特性的阻抗保護。指向變壓器的阻抗不伸出中壓側母線，作為變壓器部分繞組故障的后備保護，指向母線的阻抗作為本側母線故障的后備保護。

b）過電流保護。復合電壓啟動的過電流保護或復合電流保護，延時跳開變壓器各側斷路器。

c）零序電流保護。保護分兩段式，一段帶方向，方向指向母線，延時跳開本側斷路器；另一段不帶方向，延時跳開變壓器各側斷路器。

d）過負荷保護，延時動作于信號。

3.1.3 低壓側后備保護

低壓側后備保護有以下2 種：過流保護，延時跳開本側斷路器；復壓閉鎖過流保護，設置一段兩時限，第一時限跳開本側斷路器，第二時限跳開變壓器各側斷路器。

3.1.4 變壓器相間短路后備保護的配置

《繼電保護和安全自動裝置技術規程》（GB/T 14285—2006）第4.3.5 條規定：變壓器的相間短路后備保護，宜選用過電流保護、復合電壓（負序電壓和線電壓）啟動的過電流保護或復合電流保護（負序電流和單相式電壓啟動的過流保護）[13]。

3.2 短路電流限制器接入對繼電保護的影響

目前短路電流限制器應用于電力系統最常見的兩種情況是單獨應用和旁路限流電抗器，下文將分兩種情況對其進行分析。

3.2.1 單獨應用短路電流限制器對繼電保護的影響

單獨應用短路電流限制器時，當35 kV 側出口發生短路故障后，變壓器的主保護啟動；當短路電流幅值大小與電流變化率滿足短路電流限制器的整定值時，短路電流限制器的控制器直接發出命令，限制器進入斷開電路階段，限制器在10 ms 內將完全斷開，進而切除故障。由220 kV 變壓器保護配置可知，短路電流限制器斷開后，還沒有達到變壓器主保護的動作時間（15～30 ms），變壓器的主保護還未發出動作命令就已經閉鎖。當短路電流幅值大小與電流變化率未滿足限制器動作條件時，短路電流限制器將保持在正常工作狀態，此時故障將由主變壓器的主保護來切除，或者在主保護拒動時由后備保護來實現切除。因此，單獨安裝短路電流限制器對變壓器的主保護與過電流保護不產生任何影響。

3.2.2 短路電流限制器旁路限流電抗器對繼電保護的影響

a） 電流保護。由于短路電流限制器旁路限流電抗器接入屬于阻抗性質，所以主要影響變壓器的電流保護，以下將從變壓器電流保護的靈敏度指標來分析其影響。

第一，過電流保護的動作電流計算。低壓側過流保護的動作電流應按低壓側額定電流整定，計算公式如式（1）所示

其中，Krel為可靠系數，取1.2～1.3；Kr為返回系數，取0.85～0.95；Ie為變壓器35 kV 側額定電流。

第二，靈敏度校驗。靈敏度校驗的計算公式如式（2）所示

b） 短路電流限制器旁路限流電抗器對繼電保護的影響。當35 kV 側發生短路故障時，短路電流限制器在10 ms 內將短路電流開斷，同時投入與之相并聯的限流電抗器。經過對220 kV 主變保護典型配置分析可知，短路電流限制器在斷開后，還沒有達到主保護的動作時間（15～30 ms），所以完全可以按照變壓器低壓側加電抗器的保護配置方案進行分析。

首先，短路電流限制器旁路限流電抗器對變壓器主保護的影響。因為限流電抗器的電阻一般為0.15～0.9 Ω，所以對變壓器主保護差動保護靈敏度影響不大，在允許范圍內。對變壓器差動保護進行仿真（仿真模型圖及低壓側區內三相短路、W-U 相間和V-W 相間接地故障差動保護仿真結果圖略），由仿真結果可以看出，在低壓側保護范圍內發生三相短路、相間短路和相間接地故障情況下，短路電流限制器在10 ms 內正確投入，將短路電流轉移到限流電抗器，隨后變壓器差動保護正確動作。由此可以得出短路電流限制器旁路電抗器對變壓器差動保護沒有影響。

其次，短路電流限制器旁路限流電抗器對變壓器后備保護的影響。由《繼電保護和安全自動裝置技術規程》可知，變壓器各側都裝設了相間短路的后備保護且具有一定的延時（0.3～0.5 s）。當變壓器低壓側僅安裝短路電流限制器時，在低壓側發生短路故障時，由于短路電流限制器的快速開斷使得本側的后備保護還未啟動短路電流就變為零。當變壓器低壓側安裝短路電流限制器旁路限流電抗器時，在低壓側發生短路故障時，由于短路電流限制器將短路電流轉移到限流電抗器，因此在整定低壓側過流保護時可按僅安裝限流電抗器整定。

由于變壓器中壓側的阻抗比較小，甚至為負值，所以高、中壓側的過流保護一般都能起到互為后備的作用；但因低壓側的阻抗較大（高阻抗變壓器或普通變壓器加裝限流電抗器后），發生短路時，高、中壓側的后備保護對低壓側故障難以滿足靈敏度的要求。

4 結論

本文基于PSCAD/EMTDC 電磁暫態仿真程序建立了短路電流限制器仿真模型，通過短路電流限制器各種安裝方式的仿真分析，得出如下結論。

a）以線性電阻插值法能夠正確模擬高壓限流熔斷器的非線性熔斷特性，在各種故障仿真中驗證了模型的有效性。短路電流限制器作為限制系統短路電流保護主設備的一種裝置，可應用于開斷短路電流、旁路限流電抗器等多種場合。從仿真結果來看，其效果較為理想，特別是對于短路電流水平較高的變電站，加裝短路電流限制器是一個較為理想的選擇。

b）變壓器低壓側只安裝短路電流限制器時，由于短路電流限制器可以在發生故障的10 ms 內快速切斷故障，變壓器的差動、過流等保護裝置還未啟動短路電流就變為零，故對差動保護和過流等保護裝置的正確動作無任何影響。

c）變壓器低壓側短路電流限制器旁路電抗器時，由于限制器在故障的10 ms 內快速將短路電流轉移到限流電抗器，此時短路電流大幅降低，導致變壓器后備保護的靈敏度難以滿足要求，特別是高、中壓側后備保護對低壓側故障的靈敏度。短路電流限制器旁路電抗器對變壓器差動保護沒有影響。