基于快速开关的节能型故障限流器

吴　刚　张国彦　张建民　杨万涛（. 国网内蒙东部电力有限公司赤峰供电公司，内蒙古 赤峰　4000；. 四方华能电网控制系统有限公司，北京　00085）



基于快速开关的节能型故障限流器

吴刚1张国彦1张建民2杨万涛2
（1. 国网内蒙东部电力有限公司赤峰供电公司，内蒙古 赤峰24000；2. 四方华能电网控制系统有限公司，北京100085）

摘要提出快速开关型限流器的拓扑结构，并对其限流原理和取能方式作了介绍分析，通过Matlab软件仿真分析其限流效果。本文所介绍的故障限流器，拓扑结构简单，在正常状态下由快速开关短路，完全没有电能损耗，应用最新的快速开关技术，相对于现有限流器来讲开关的分合闸动作时间更快。

关键词：快速开关；节能型；故障限流器；拓扑

Energy Saving Fault Current Limiter Based on Fast Switch

Wu Gang1Zhang Guoyan1Zhang Jianmin2Yang Wantao2
（1. Chifeng Power Supply Corporation， Chifeng， Inner Mongdia 024000；2. Beijing Sifang-Huaneng Power Network Control System Co.， Ltd， Beijing 100085）

Abstract The topology structure of the fast switching mode current limiter is proposed， and its current limiting principle and energy - mode are introduced， and the current limiting effect is analyzed by Matlab software. The fault current limiter， topology has the advantages of simple structure， under the normal state by fast switching circuit， no electric energy loss， using the latest fast switching technology，relative to the presently limited flow device in terms of switch closing action time faster.

Keywords：fast switch; energy saving; fault current limiter; topology

电网等级的不断提高，电网的规模的不断扩大，大容量机组的相继投入，区域各大电网互联的实现，负荷电流的迅速增长，所有的这些因素将导致在电力系统发生故障时，特别是短路情况下，电流水平的持续升高，一些地区的短路电流已经远远超过了目前断路器的开断能力，发生短路时，会造成严重的安全问题，另外过高的短路电流还增加了系统高压设备选择配置的难度。因此，日益严重的短路电流必须得到足够的重视和有效解决，故障限流器作为一种有效的限制短路电流的方法其技术研究及应用就显得至关重要。

1　新型限流器的限流原理及拓扑结构

1.1开关型故障限流器限流原理

开关型限流器的限流原理如图1所示，图中虚线框中部分为限流装置，其中限流器为串联限流电抗器，换流器为智能高速开关（高速大遮断容量真空断路器）。装置工作原理：正常工作时，换流器处于关合状态，系统工作电流只流过换流器，阻抗为零，没有损耗；当发生短路故障时，换流器迅速打开，将限流电抗器投入串联到电力系统中，将短路电流限制到系统断路器可以最大开断电流以下。高速真空断路器还可以配合线路重合闸动作顺序投退，当线路断路器重合闸后，若短路故障依然存在，线路断路器再开断，若短路故障消失，线路断路器保持合闸状态。

图1　限流器限流原理图

1.2开关型故障限流器拓扑结构分析

本文提出的基于快速开关的高压故障限流器拓扑结构如图2所示。

图2　故障限流器一次原理图

装置主要构成元件及功能如下：

1）隔离变：在高压平台上给二次供电，隔离变后端接整流供电回路。

2）限流电抗器（L）：发生短路时用以限制短路电流。

3）智能高速开关（K）：正常运行时用以短接限流电抗器，实现电抗器无损耗运行，一旦发生短路则快速动作投入电抗器限制短路电流。

4）旁路开关（KM）：当智能高速开关故障时用以承载工作电流。

5）取能单元（倒置CVT，C1＋C2）：用以提供智能高速开关的控制和操作电源。

快速开关型电网限流装置包括一级或多级串联的限流单元、为限流单元提供高电位下的安装基础的绝缘平台以及通讯和监控系统。

当装置挂网运行后，隔离变从CVT的分压电容两端取电，输送给控制器和电源盒。控制器通过光纤通道将装置的运行状态及数据送到远端的测控子站。故障限流器串接在系统中，在系统正常运行的情况下，智能高速开关短接限流电抗器，限流器表现为零阻抗状态，不产生功率损耗，检测到故障发生后，控制器迅速作出判断并控制快速开关快速断开，限流电抗器串入到系统中，将短路电流限制到系统断路器可以开断限值内，同时快速开关分闸的信号和判断跳闸的短路电流数值（全过程的波形）通过光纤传送到远端的测控子站。当监测到线路由短路电流减低到负荷电流后，待储能电容充完电后快速开关自动合闸。限流装置的快速真空断路器在判断线路正常带电流2min后合闸，将限流电抗器短路退出限流工况。一旦快速开关合闸不成功，则控制器立即控制接触器合闸。

2　快速开关型故障限流器限流性能仿真分析

基于Matlab的仿真电路如图3所示。系统主要参数描述如下。

1）发电机G：SN＝ 60MVA ，VN＝ 10.5kV 。

2）变压器T-1：SN＝ 31.5MVA ，VS＝ 10.5%，PS＝133kW，P0＝ 30.8kW ，I0%＝0.6，K1＝ 10.5/110。

3）变压器T-2：SN＝ 20MVA ，VS＝ 10.5%，PS＝93kW，P0＝ 22kW ，I0%＝0.67，K2＝ 110/6.3。

4）变压器T-3：SN＝ 7.5MVA ，VS＝ 10.5%，PS＝45kW，P0＝ 11.2kW ，I0%＝0.77，K2＝ 110/6.3。

5）线路L-1：r1＝ 0.08Ω/km ，x1＝ 0.4Ω/km ，线路全长60km。

6）线路L-2：r1＝ 0.08Ω/km ，x1＝ 0.4Ω/km ，线路全长20km。

7）线路L-3：r1＝ 0.08Ω/km ，x1＝ 0.4Ω/km ，线路全长10km。

8）负荷LD-1：SLD－ 1＝ 30mva ，cosϕ＝ 0.85。

9）负荷LD-2：SLD－ 2＝ 18mva ，cosϕ＝ 0.95。

10）负荷LD-3：SLD－ 3＝ 6mva ，cosϕ＝ 0.95。

11）限流器电感：L＝63.66mH。

图3　仿真系统电路图

对于单相接地故障，电力系统正常运行时，线路L-1的电流为112A，在0.2s时发生单相接地短路，故障相未接入限流器时的电流情况如图4（a）所示。

图4　单相接地故障有、无限流器时故障相电流

由仿真图可以看出，在短路发生后，短路电流的第一个峰值为2271A，第二个短路电流峰值为1855A，短路电流的稳态峰值为1387A。

在故障发生后把限流电抗器串接进系统中进行限流的仿真电流波形如图4（b）所示。由仿真波形可以看出，接入限流器后短路电流的第一个峰值在1790A，相对降低了21.2%，第二个短路电流峰值为1512A，稳态短路电流峰值为1062A，相对减少了23.4%。

限流器接入系统限流后，限流器故障相快速开关两端的断口电压如图5所示。由图可以看出A相发生单相接地故障后限流器开关两端承受的断口电压峰值为21kV，在开关断口电压承受范围内。

图5　快速开关两端承受断口电压波形

发生单相接地故障后变压器T1二次侧电压的变化情况如图6（a）和图6（b）所示，其中未接入电流电抗器时，二次侧电压跌落为33kV，接入限流电抗后，二次侧电压为47kV，相对升高了42%。

图6　未接、接入FCL故障后变压器T1二次侧电压变化

3　结论

本文所介绍的故障限流器，拓扑结构简单，在正常状态下由快速开关短路，是完全没有电能损耗的，应用最新的快速开关技术，相对于现有限流器来讲开关的分合闸动作时间更快。

参考文献

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张建民（1961-），男，高工，主要研究能效管理系统。

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