串联补偿型故障电流限制器应用研究*

汤伟，杨铖，刘洋，盖振宇

（1.安徽电力调度控制中心，合肥230022；2.中电普瑞科技有限公司，北京102200）

0 引 言

我国电力系统规模增加，及电力系统之间的互联，出现了一个新的突出问题：各电压等级电网的短路电流不断增加。我国经济发达地区的负荷和负荷密度增加迅速，这些地区的短路电流已经达到甚至超过了系统中开关元件的遮断容量［1-3］。若要降低短路电流水平，传统的方法是或需巨大的投资改造电网，或需在运行方式上做出一定牺牲，这些会影响电网运行的灵活性、安全性和可靠性，而且缺少针对短路电流的方向性及选择性［4-6］。

故障电流限制器 （Fault Current Limiter，FCL）是一种抑制短路电流大小的设备。它的特点是：在系统正常时，对系统而言整体阻抗为零或非常小，而在电网中发生短路故障时，其阻抗迅速增大，降低短路电流的峰值和稳态值，保证开关设备可以正常断开，提高设备运行的可靠性，避免更换容量更大的电气设备所造成的经济和基建上的损失［7］。故障电流限制器已历经40多年的研究和发展过程，实现原理有很多方法，种类形式繁多。根据限流的材料类型，可将FCL分为新型材料和常规材料类型。新型材料以超导型、PTC热敏电阻型为主要类型，常规材料以电力电子器件、变压器磁通补偿型、氧化锌避雷器为主要类型。目前超导型［8-9］、电力电子型FCL是研究的热点［10-13］。

本文提出了一种具有串补功能FCL，系统正常时作为以串补结构运行，提高线路的传输功率；在系统发生故障时，故障检测系统控制装置转变为限流模式。对其应用于电网后进行分析，证明该FCL具有良好的限流和补偿效果。

1 具有串补功能的故障电流限制器

1.1 结构

具有串补功能的FCL属于一种电力电子型FCL，其拓扑结构如图1所示，主要是由一个固定电容器C、旁路电感L1（并联）、串联电感L2、反并联的晶闸管阀、保护用的MOV、旁路开关K、故障检测系统和阀触发系统等组成。

图1 FCL结构拓扑图Fig.1 Components topology of FCL

电容C的容抗大于串联电感L2的感抗，在系统正常运行时，FCL对线路可以起到串联补偿的作用，即晶闸管截止，电感L1退出，电流从电容器C流过；故障时，故障检测系统触发晶闸管导通，两个方向的阀轮流导通，将旁路电感L1接入系统中，L1、C选择适当的参数，并联后可以得到较大的电抗，与L2串联后共同限流，改变晶闸管的导通角，可在不同的短路情况下改变限流程度。

如仅在故障期间用于旁路电感L1的快速投入，则用晶闸管阀等半控器件应是足够的。当然也可以用GTO、IGCT等全控器件代替图1中的晶闸管阀，控制元件的开通和关断，以获得更好的性能。

1.2 工作原理

旁路电感L1的等值电路如图2所示。

晶闸管的导通角σ直接影响电感L1的等效值，短路电流为：

式中i（t）为流经 L1的电流； u（ωt）为等值电路两端的电压；L为L1的电感值；θ为晶闸管的触发角；σ为晶闸管的导通角。

图2 并联电感L1的等值电路Fig.2 Equivalent circuit of shunt inductor L1

如果电压源只含基波分量，并进行傅里叶分解，可得电流的基波分量：

由此可得L（σ）为：

则 X（σ）为：

从而可得FCL的总限流电抗XL为：

由以上关系可知，改变导通角σ，可以改变限流电抗XL，从而可以改变限流程度。

根据晶闸管开通时刻不同，σ数值的范围是：0°～180°。设σr为旁路电感L1与等效电容C发生并联谐振程度最大时的晶闸管所对应的导通角。当σ从180°逐渐减小时，限流程度增大，电流减小且为感性；当减小到σr时，旁路电感L1和电容器组等效电容C发生并联谐振，此时等效电抗无穷大，限流程度最大，电流最小；当小于σr后，随着σ的减小，电流增大且为容性，电容两端的电压也会增大。C和L1的等效阻抗性质随晶闸管导通角变化的关系见表1。

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

所以，为提高限流器的限流效果，导通角σ合适的取值范围是σr≤σ≤180°。

1.3 限流率和补偿度

带串联补偿的FCL还有两个表征性能的重要参数，分别是限流率α和补偿度k。

（1）限流率 α（0＜α＜1）

该参数可以用安装FCL前后短路电流If与IL或系统阻抗X与限流阻抗XL来表示，关系如下：

（2）补偿度 k

该参数是用FCL总容抗Xco与线路电抗Xline按以下方式定义的：

则：

2 安徽电网2017年短路电流水平分析

随着安徽电网规模的日益扩大，不仅线路潮流考验着电网的安全运行，短路电流的快速增长更是对故障后电网安全可靠运行的能力提出严峻的考验。因此，本节将对2017年安徽电网在不采取分层分区、故障限流器等措施下的短路水平进行考察，重点是500 kV变电所的500 kV和220 kV母线，如表2所示。

表2 主要500 kV变电站短路电流水平（kA）Tab.2 Fault current level ofmain 500 kV

由表2可知，变电站内500 kV电压等级的母线短路电流一般在25 kA～48 kA的范围内，断路器均可以正常开断，有一定裕度；而220 kV母线发生短路时，存在短路电流接近或超过断路器遮断容量、设备裕度不足的情况。

电网负荷的不断增加，新增电源的投入等因素的综合作用，若不采取相应的措施，安徽电网将会出现更严重的短路电流超标，不但威胁电网中现有电气设备的安全稳定运行，甚至需要花费大量的投资进行设备更换和改造改建，影响系统的正常运行，而且在新变电站的设备选择上需增加裕度，使得投资大大增加。

3 FCL的应用分析

3.1 选点分析

根据限流要求和效果，故障限流器在电力系统中的安装位置主要有以下四种［14］：

（1）输电线路，用以限制输电线路的短路电流，可以保护用户侧低压设备；

（2）变压器低压侧，在系统发生短路时由FCL限制系统的短路电流，保护变压器的安全；

（3）双母线间的联络线，用来限制2个母线间的短路电流，并能有效提高故障后母线电压水平；

（4）区域电网之间的联络线，发生短路时由FCL限流，解决断路器遮断容量不足的问题。

根据表2的220 kV母线故障时短路电流水平，选择肥北站做短路后各分支短路电流分量的分析计算，结果如表3所示。

表3 220 kV母线单相短路后各分支短路电流（kA）Tab.3 Branch currents after single-phase short circuit happened in 220 kV busbar（kA）

500 kV肥西站全接线模式下的短路电流组成情况如图3所示。

图3 短路电流组成Fig.3 Composition of short-circuit current

从表3和图3可以看出，肥北站的220 kV母线发生短路故障时，一台主变提供的短路电流比例超过了20%，高于其他220 kV线路提供的短路电流。在系统正常运行时，两个母线的电源和负荷是对称的，母线联络线上基本没有功率穿越，而当某一侧母线发生短路故障时，母线联络线成为故障电流的主要通道，两个母线也会出现很大的电压降落，非故障母线所连接的负荷不能得到正常的电力供应。在母线联络线安装FCL不但可以有效地限制非故障母线提供的短路电流，而且故障后FCL投入还可以维持非故障母线的电压水平，有利于电力系统的稳定运行，提高电能质量。因此，应用于安徽电网的故障电流限制器，合适的安装位置是500 kV变电站的220 kV母线联络线上。

3.2 故障电流限制器应用安徽电网的限流效果

结合2017年安徽电网结构，以肥北变电站220 kV母线作为研究对象，将故障电流限制器安装在该站220 kV母线I和II的连接开关处，如图4所示。

当母线I和母线II同时运行，t＝1 s时II母线侧的某条线路首端发生A相接地故障，没有安装FCL时流过母联开关的电流和非故障母线的电压波形仿真结果见图5、图6。

图5 无FCL时母联开关的A相电流ig.5 A phase current of bus tie switch without FCL

图6 无FCL时母线I的A相电压Fig.6 A phase voltage of busbar without FCL

由图5和图6可看出，母联开关的短路电流峰值约为72 kA，受故障影响，母线I的A相电压接近为0，降落较大。

经过计算，安装在母线联络线上的FCL电气参数为：C＝100.6μF，L1＝20.1 mH，L2＝40.3 mH，II母线侧的某条线路首端A相接地故障前后，流过母联开关的电流和非故障母线的电压波形仿真结果如图7、图8所示。

图7 有FCL时母联开关上的A相电流Fig.7 A phase current of bus tie switch with FCL

图8 有FCL时母线I的A相电压Fig.8 A phase voltage of busbar with FCL

由图7和图8可看出：加装FCL后，母联开关的短路电流峰值被降至14 kA以下，限流率达到了80%，而且母线I的电压降落幅度大大减小，FCL的效果明显。

3.3 故障电流限制器应用的补偿效果

在应用线路的FCL中若设置多组不同数值的电容器与C并联，利用串联的开关投切电容器，形成不同的组合方式，就可以灵活调节线路等效电抗值，按需求调整FCL对线路的串联补偿度［15］。

为分析 FCL的串联补偿效果，设其应用在220 kV电压等级输电线路中，线路长度为110 km，单位长度线路的参数为：L＝1.02 mH／km，R＝0.05Ω／km，C＝10.5 nF／km。设 FCL的各电容器参数取值分别是：C＝102.3μF，C1＝16.9μF，C2＝45.1μF。经过计算，不同电容器组合方式下线路的补偿度如表4所示。

从表4可以看出，投入不同组合的电容器，可以实现对输电线路的可控串联补偿，补偿度分别为36%、42%、56%和70%，具有提高系统传输能力、控制系统潮流、提高系统暂态稳定性方面的作用。

表4 不同电容器组合方式下FCL的补偿度Tab.4 Equivalent FCL impedance of different compensation degrees

4 结束语

提出了一种应用于电力系统的具有串补功能的故障电流限制器，进行了理论分析、数学模型研究，并对安徽电网500 kV变电站短路电流水平进行了分析，确定了FCL的应用点，利用软件仿真的结果表明：FCL能够在系统发生故障时迅速响应，快速限制短路电流，减小电压暂降，保证系统运行的稳定性，提高电气设备的安全性。且其应用在输电线路中在稳态运行时，采用并联电容器调节线路电抗值，实现串联补偿功能，提高电网的输电能力和电压稳定性。因此，该种具有串补功能的FCL在电网中具有广阔的应用前景和良好的经济效益。