一种混合型短路电流限制器的研究

顾丹虹，周 旻，傅晓平，陆 艳，石 峰，畅 伟，许小卉

（国网浙江省电力公司嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314000）

一种混合型短路电流限制器的研究

顾丹虹，周 旻，傅晓平，陆 艳，石 峰，畅 伟，许小卉

（国网浙江省电力公司嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314000）

随着电力系统设备规模和供电规模的不断扩大，互联程度也越来越高，由此导致电网的短路阻抗减小而短路电流水平急剧增大。不断增大的短路电流会对设备本身及其通信线路造成不同程度的危害，甚至影响到整个系统的安全稳定运行。为此，提出了一种混合型短路电流限制器，分析了其基本工作原理并推导了数学模型，并进行了模型设计，通过仿真验证了该设计的可行性。

电力系统；短路电流限制器；混合型；故障检测；铁芯结构；Saber

0 引言

近年来，电力系统的不断扩容使得短路电流限制技术成为制约电力系统发展的技术瓶颈之一。20世纪70年代，国内外专家提出了FCL（短路电流限制器）的概念[1]，打开了短路电流限制技术的新局面。目前，FCL种类繁多，根据工作原理及材料的不同大致可分为常规材料型FCL和SFCL（超导型FCL）2类。其中SFCL是研究热点之一，根据工作原理的不同可分为电阻型[2]、磁屏蔽型[3]、变压器型[4]、三相电抗器型[5]、桥路型[6]、有源型[7]、饱和铁芯型等[8]。文中在饱和铁芯型SFCL的基础上提出了一种混合型FCL，分析了其基本工作原理并推导了数学模型，进行了模型设计，通过仿真验证了该设计的可行性。

1 混合型FCL的理论分析

1.1 饱和铁芯型FCL原理分析

目前，对配电网和传输级设备来说，最适合的就是饱和铁芯型SFCL技术。它由2个完全相同的铁芯电抗器组成，基本结构如图1所示。

图1 饱和铁芯型FCL基本结构

饱和铁芯型SFCL的基本原理是利用铁磁材料磁导率的变化来限制潜在的短路电流。当系统正常运行时，直流偏置线圈3和4使2个铁芯处于深度饱和状态，此时线圈1和2中流过交流线电流，所产生的磁场不足以使铁芯脱离饱和区，装置呈低阻抗状态；发生短路故障时，不断上升的短路电流会产生一个足够强的磁通来使铁芯由饱和状态转入高电感状态，从而达到限制短路电流的目的。

饱和铁芯型SFCL的优点突出：在其工作期间，直流偏置线圈没有超导态到常态之间的转变，因此反应时间和恢复时间都很短。但其缺点也很明显：首先，直流偏置系统在短路故障期间需要承受巨大的故障电流，对线圈要求较高；其次，直流偏置系统通常采用超导材料，超导材料的冷却过程将产生更多的操作损耗；另外，在现有的设计中，每个铁芯限制半个周期的交流正弦电流，单相系统的全短路电流保护需要2个铁芯，三相系统就需要6个铁芯，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技术要求

理想的短路电流限制器需要满足以下要求[9]：正常工作期间限流器零损耗；故障限流期间高输入阻抗；体积小，质量轻，成本低；减小短路电流达45%～55%；动作时间在1/4周期（5 ms）内；准确的故障检测；能承受至少1 s的短路电流。

为满足上述要求，在饱和铁芯型SFCL的基础上提出了一种混合型FCL，如图2所示。该混合型FCL由快速开关CB1及其控制器、铁芯及绕组、MOV（金属氧化物压敏电阻）3部分并联组成。其中VLN为系统电压；Xsource为系统电抗；RL为等效电阻；LL为等效电感。

图2 混合型FCL原理

1.2.2 混合型FCL工作原理

（1）系统正常运行时。

CB1闭合，负载电流流过CB1，铁芯上的绕组中无电流流过，因此铁芯内无磁通产生，此时混合型FCL装置零损耗。

（2）发生短路故障时。

一旦控制器检测到短路故障的发生，混合型FCL进入故障限流模式：CB1在5 ms内断开，将故障电流转入绕组线圈，突然流入的正弦交流短路电流将产生一个变化的外加磁场，从而在铁芯中产生磁通，铁芯的滞后效应可产生强大的非线性电感来达到限制短路电流的目的。由于一个铁芯就可以遍历整个磁滞曲线，因此短路电流的正负半周均能得到有效限制。

（3）短路故障排除后。

当断路器动作切除故障后，控制器检测到短路故障被排除，立即控制CB1重新闭合，FCL恢复正常工作状态。

在CB1断开和闭合的瞬间，将会产生较大的操作过电压，会对系统中的设备造成危害。为了抑制操作过电压，在CB1上并联1个MOV，用于吸收开关开闭瞬间产生的过电压，从而保护开关及设备。

与饱和铁芯型SFCL所不同的是，该混合型FCL装置中的铁芯并联于系统中，因此无需加设直流偏置电路来使铁芯达到饱和，而系统在正常工作状态下电流仅流经快速开关而非铁芯线圈，因此实现了正常工作期间零损耗。另外，一个铁芯就可以遍历整个磁滞曲线，可以限制短路电流的正负半周，故该混合型FCL单相保护只需1个铁芯，三相保护只需3个铁芯，减少了FCL的总体尺寸、重量和成本，在总体上保持或提高了FCL的功能。

1.3 混合型FCL数学模型

故障发生期间系统的等效电路如图3所示。

图3 系统故障期间等效电路

根据安培环路定理，可以得到式（1）：

式中：H为铁芯中磁场强度；l为磁路长度；N为线圈匝数。

对式（1）求导可得式（2）：

此时系统的回路电压方程为式（3）：

式中：Φ为铁芯的磁通。

由于Φ=BS，B为磁通密度，S为铁芯横截面积，则可以得到式（4）：

将式（4）和（5）代入（3）可得式（6）：

由此可见，在故障发生期间，铁芯所产生的非线性电感可建模为磁通密度B和磁场强度H的函数，见式（7）：

2 故障检测电路设计

为了达到快速识别短路电流的目的，文中采用如图4所示的故障检测电路。系统正常工作时，c点电压为零，电平检测电路不翻转；发生短路故障时，移相电路的滞后效应引起c点电压变化，致使电平检测电路翻转发出故障信号。

图4 混合型FCL故障检测电路原理

设a，b，c点电压分别为Ua，Ub，Uc，则有式（8）：

式（8）和（9）联立，要使c点电压幅值和相位均为零，则需满足式（10）：

系统正常工作时，若移相器在频率f=50 Hz处移相180°，且Ra和Rb的比值满足式（10），则Uc=0，电平检测电路状态不变；发生短路故障后，系统电流增大，此时由于移相电路的作用使得电流相位滞后，b点电压不能立即跟随a点电压变化，从而引起c点电压的偏差，此时Uc≠0，电平检测电路经触发翻转，实现了故障状态的检测。

理想的FCL动作时间是5 ms，因此故障检测电路必须在5 ms之内对故障迅速作出识别和反应。根据上述分析，移相电路需满足以下2个条件：

（1）系统正常工作情况下，其传递函数需满足式（10），使得c点电压Uc=0；

（2）为了在故障发生时实现相位滞后的目的，移相电路需由阻容网络构成。

为此，文中采用最基本的RC电路作为移相电路[10]，如图5所示。其中，Ui为输入电压，Uo为输出电压。

图5 基本RC移相电路

设角频率为ω，根据图5可以得到式（11）：

经整理后得到该RC移相电路传递函数为式（12）：

由于系统在正常情况下需要移相180°，为了便于实现，文中采用三阶RC移相电路，如图6所示，每一阶移相60°，总共移相180°。

由于一阶RC移相电路的输出电压存在衰减，衰减程度为1/2，因此三阶RC移相电路的输出电压衰减至1/8，故在图6输出前增加一放大器，使其电压增益8倍。

图6 三阶RC移相电路

选取电阻R=1 Ω，代入式（13）后可得电容值：

理想情况下，若输入电压Ui和输出电压Uo叠加后结果不为0，则触发电平翻转。实际应用中，系统电流随时间在不停波动，电压也在不断变化，因此，需要对电平翻转电路设置一个门槛电压值，只有当Ui和Uo叠加之后的值超过该门槛值电平才发生翻转，这就避免了快速开关的误动作。

3 铁芯材料的选择和绕组的确定

对于铁芯材料的选择主要有以下要求[11]：

（1）矫顽力Hc要大，尽可能使磁滞回线变宽，以增大限流范围。

（2）饱和磁通密度Bs要大，以便在线圈匝数相同的条件下，具有更大的限流能力。

文献[12]比较了NdFeB-N42（钕）、SmCo-5（钐钴）、AlNiCo-8（铝镍钴）和M4（复合钢）4种铁芯材料的磁滞回线模型，其仿真波形如图 7所示。不难发现，AlNiCo-8的饱和磁通密度较大，但是矫顽力太小；M4的矫顽力和饱和磁通密度都太小；SmCo-5的饱和磁通密度与NdFeB-N42较为接近，都比较大，但是矫顽力不如钕。因此选择钕作为铁芯材料，由图中可得其饱和磁通密度约为1.5T。

混合型FCL限流铁芯的截面积主要由短路情况下其承受的短路容量所决定。目前，随着电网规模和设备规模的不断扩大，一般6 kV电压等级的最大短路电流已超过40 kA，需要采用50 kA等级的断路器，因此设计最大允许短路电流为50 kA，系统的短路容量SN可由式（15）求得：

图7 4种铁芯材料B-H特性曲线

式中：uav为平均额定电压；It为系统短路电流有效值。

铁芯的截面积S可由下式得出：

式中：kd为经验系数，一般取0.054～0.058。

将各数据代入式（15）和（16）后，计算得到铁芯的截面积为20 cm×20 cm，磁路长度为2.3 m。

由法拉第电磁感应定理可得线圈绕组上的感应电动势E如式（17）所示：

式中∶f=50 Hz。

当系统发生短路故障时，线圈绕组串入系统中，因此其两端电压即为系统电压Un，则可用式（18）求得线圈匝数N：

将各数据代入式（17）和（18）可计算出线圈匝数，文中选取线圈匝数N=60。

4 混合型FCL模型设计与仿真分析

4.1 混合型短路电流限制器模型设计

为了验证混合型FCL的可行性，在Saber仿真软件中建立了一个6 kV系统模型，观察在发生短路故障时，该系统加装混合型FCL装置前后的电压电流波形变化来分析其限流性能。模型设计所需要的配电网标准系统设计参数以及FCL所需处理线电压的参数如表1所示。

图8为6 kV系统加装混合型FCL的仿真模型图，由于三相系统对称且每一相都装设混合型FCL，因此取一相为例进行分析。图8中线路阻抗Zl=（0.01+j0.242）Ω，负载阻抗为Z=（6.174+j0.03）Ω。混合型FCL的限流铁芯由一个非线性电感来代替，设置非线性电感参数为：匝数N=60，磁路长度l=2.3 m，铁芯面积S=0.04 m2，磁滞回线设计Bs=1.5T，Hc=1.1×106A/m，Br=1.4T，MOV由1个大电阻并联2个稳压管代替。

表1 FCL设计参数

4.2 仿真分析

图8 6 kV系统加装混合型FCL仿真模型

下面以三相短路故障为例对系统进行仿真分析。仿真设置如下：设置系统运行时间为1 s，三相短路故障发生于0.2 s。由于三相短路故障为对称故障，在此仅选取A相为代表进行分析。

4.2.1 仿真情况

图9所示为A相故障点处的电压波形，在0～0.2 s电压正常，在0.2 s时电压过零点，此时发生三相短路故障，随后电压归零。

图10为未安装混合型FCL时A相电流波形，0.2 s时发生三相短路故障，A相短路电流峰值达到约50 kA，超出了断路器的开断范围。短路电流经过0.2 s的暂态过渡之后维持稳态值在26 kA左右。

加装混合型FCL后A相的电流波形如图11所示。显然，在加装混合型FCL之后，A相短路电流峰值由原来的50 kA限制到了23 kA左右，稳态短路电流也由原来的26 kA限制到了约13 kA，电流限制率达到50%以上。

图9 A相故障点电压波形

图10 未安装混合型FCL时A相电流波形

图11 加装混合型FCL后A相电流波形

图12 为混合型FCL的输入端电压波形，对比图9可以得出如下结论：发生短路故障时，快速开关动作产生的过电压经压敏电阻限制之后幅值控制在10 kV以内；混合型FCL限流工作期间，装置上的电压约为3 kV，说明该装置还能提升故障期间线路的电压水平，减小了电压骤降对其他用电设备的影响。

图13所示为短路故障检测电路的输出点（对应图4中的d点）波形，局部放大后如图14所示，由图可见，在0.505 s电平检测电路发生翻转，即该短路故障检测电路在5 ms以内就能完成短路故障的检测，能够很好地达到短路故障的实时检测要求。

4.2.2 仿真结果分析

通过对仿真结果的分析可得出以下结论：

（1）混合型FCL具有快速检测短路电流的能力（5 ms以内）。

（2）混合型FCL对短路电流具有良好的抑制作用，能将短路电流限制在设计要求范围（45%～55%）之内。

（3）线路发生故障时，加装混合型FCL能适当提高母线的电压水平，减小电压骤降对设备的损害。

图12 混合型FCL上的电压波形

图13 短路故障检测电路输出波形

图14 短路故障检测电路输出波形局部放大图

5 结语

为了抑制电网的短路电流，提出了一种混合型FCL，分析了其工作原理并通过建模仿真验证了其限流效果。仿真结果证明了该混合型FCL不仅能够快速有效地限制短路电流，而且系统正常工作期间零损耗，体积小，成本低，具有较高的实用价值。随着研究的深入，后续还有很多工作有待开展，例如进行样机实验，将混合型FCL与继电保护设备功能集成开发等等，使其在智能电网中发挥更大的作用。

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（本文编辑：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

顾丹虹（1989），女，工程师，从事电能表检定工作。