变压器低压侧短路电流限制器仿真研究

唐 震，郭 垚，刘泽宇

（1.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原030001；2.山西大学，山西太原 030013）

0 引言

随着负荷需求的快速增加，电力系统规模不断扩大，并不断向特高压、大容量、大规模和大电网互联方向发展，必然导致输配电系统整体短路电流水平不断提高。这不仅对电网断路器的开断能力是一个严峻的考验，同时短路电流对变压器等设备的损害也是必须予以考虑的问题。对于断路器、变压器等设备，短路电流限制器就是解决短路电流过大的有效途径之一[1-4]。本文主要探讨短路电流限制器对变压器保护的影响。

1 国内外短路电流限制器的研究概况

电力系统的稳定性和可靠性需要进一步提高限制短路电流的水平，如果断路器不能快速有效地开断过大的短路电流，将对电力系统中用电设备造成极大的损坏。如果仅仅依靠提高电气设备承受短路电流的能力，显然在经济性和技术方面都不是一个很好的解决方案，因而必须采取有效措施来限制电力系统短路电流快速增长的问题[5]。

1.1 国内短路电流限制器研究概况

随着短路电流限制器日益受到重视，国内很多单位投入到其研究与应用中。2007 年，天津机电工业控股集团公司等单位联合研制的35 kV 超导磁饱和型限制器在云南省普吉变电站正式挂网试运行[6]；陕西电力科学研究院研发的DXK1 系列产品在多方面已经达到甚至超过国外产品的水平[7]；上海交通大学在磁控开关型故障限制器领域开展大量研究的基础上，开发了适用于中高压电网领域的一种磁控开关型故障限制器，并在试验室完成了故障限制器样机的研制[8]；华中科技大学和哈尔滨工业大学分别在串联补偿装置基础上开展了具有串联补偿作用的限制器仿真研究工作[9]。

1.2 国外短路电流限制器研究概况 [10]

20 世纪90 年代，美国电力科学研究院在电力系统固态限制器方面的研究进展迅速，1993 年初，Mort Monmouth 的Army Power Center 的4.6 kV 交流馈电线路上安装了1 台由反并联可关断晶闸管GTO（gate turn-off thyristor）构成的固态断路器，在短路故障发生0.3 ms 内切断故障；在超导故障限制器工程应用方面，美国的Lockheedmartin 公司、General Atomics 公司分别于1995 年、1999 年研制了2.4 kV/80 A 和15 kV/20 kA 的桥路型超导限制器；在混合型限制器方面，日本关西电力公司与富士电机联合开发了400 V 由真空开关和GTO 并联构成的配电用混合式限流分断装置；2008 年，由ABB 公司向上海宝钢股份有限公司供应的12 kV Is-快速限制器（Is-Limiter），可保证在1 ms 内快速开断，使短路电流在发生瞬间就开断。

近年来，世界各国的工程技术人员一方面继续完善固态限制器的性能并使其能够满足现场运行要求，同时积极促进商业化、实用化；另一方面，积极探索多功能限制器的研究，主要集中在串联无功补偿和限流的功能组合领域。

2 短路电流限制器仿真分析

基于爆破切割技术的短路电流限制器[11]（以下简称“短路电流限制器”）分为触头型和无触头型两类。本文所研究的短路电流限制器属于无触头型产品，其原理是在开关导流排或管的薄弱环节——断口下放置微型炸药，短路时引爆炸药将断口炸断，高速切断电流通路，开断时间一般可达1 ms 数量级，因其工作可靠，在国外已得到广泛应用。国内生产厂家在总结国外研制、生产和运行经验的基础上，立足国内实际和技术水平，自主研发了基于爆破切割技术的短路电流限制器，目前在电力系统中已得到广泛的应用，并已取得了良好的效果。

2.1 短路电流限制器原理

短路电流限制器由快速隔离器、高压熔断器、控制器、导线、电流测量传感器（罗氏线圈）以及附属组件等构成，正常运行时，电流流过导线、电流测量传感器和快速隔离器；发生短路故障时，电流测量传感器将短路电流信号送至控制器，控制器对信号进行分析处理。若短路电流超过整定值，控制器将输出触发信号脉冲，使爆破切割系统快速隔离器在几百微秒内高速断开，将短路电流全部转移到高压过限流熔断器，熔断器熔断后，实现短路电流开断，完成故障切除。

短路电流限制器可在短路电流尚未到达峰值前将其快速断开，即短路电流在第一个半波被限制到预期短路电流峰值的15%～50%，整个断开时间小于10 ms，极大地降低了故障电流总能量，使电力设备得到有效地保护，降低了短路电流对其的损坏程度。

2.2 短路电流限制器仿真研究

2.2.1 高压限流熔断器的建模

高压限流熔断器是开断故障电流的最后环节，其动作特性直接关系到短路电流限制器的性能。熔断器切断短路电流的暂态过程实质上是熔体从温升到燃弧再到熄弧的复杂电弧过程。文献[12]借助有限元分析软件ANSYS 对熔断器熔断过程进行仿真模拟，得到了熔断器的弧前时间—电流特性以及熔断过程中熔断器等效电阻的非线性时变曲线（如图1所示的“原始曲线”）。本文采用线性电阻插值的方法建立高压限流熔断器仿真模型，这种方法的基本思路是按照特性曲线不同时刻的电阻值控制电阻接入，模拟的特性曲线如图1 所示的“本文曲线”。

图1 熔断器非线性特性曲线

2.2.2 控制器逻辑

短路电流一般具有幅值大、变化快的特性，因此短路电流限制器的控制器中设置了电流瞬时值i和电流瞬时变化率di/dt 两个定值。只有当两个判据同时大于设定值时才输出动作信号，从而在保证可靠性的同时增强了抗干扰能力，保证了短路电流限制器的有效快速动作。

2.2.3 短路电流及限制措施仿真

为了掌握各种措施对变压器低压侧短路电流的限制效果，本文基于PSCAD/EMTDC 电磁暂态仿真程序建立的230/115/37 kV 三相三卷变压器低压侧故障仿真模型如图2 所示。仿真系统参数如下：等值阻抗0.3 Ω；变压器Y0-Y0-Δ，150 MVA，230/115/37 kV；110 kV 系统负荷P1+jQ1=100+j30，35 kV系统负荷P2+jQ2=j30+j6。故障点设置在变压器低压侧（35 kV 侧），故障时刻3.0 s，故障时间0.1 s，下同。

a）无短路电流限制措施故障仿真。变压器低压侧无短路电流限制措施时，在变压器35 kV 侧模拟三相短路，仿真结果如图3 所示。

图2 短路电流限制器仿真系统

图3 无短路电流限制措施的三相短路故障

从图3 可以看出，变压器35 kV 侧三相短路时，流过35 kV 断路器的电流峰值已达到61.69 kA，当断路器额定遮断电流为20 kA 时，此时短路电流已超过了断路器的正常开断范围，因此必须采取措施进行限制。

b） 电抗器限制短路电流。为了限制变压器35 kV 侧的短路电流，首先采用串联电抗器的方法进行短路电流限制，一般情况电抗器的取值范围为0.15～0.9 Ω，这里选定电抗器阻抗值0.5 Ω。下面对采用电抗器限制措施以及采用电抗器后的电压降低程度进行仿真，结果如图4 所示。仿真系统参数同上。

图4 采用限流电抗器限制短路电流的仿真结果

从图4 可以看出，在35 kV 侧三相短路故障时，采用串联电抗器的方法可以将短路电流限制到40.1 kA，电抗器前后的电压有效值分别为21.24 kV和21.22 kV（压降为0.02 kV，小于5%）。这说明采用串联电抗器可以限制短路电流且效果明显。但由于电抗器在运行时一直串联在供电回路中，这样势必造成很大的损耗。

c）短路电流限制器开断短路电流。按照短路电流限制器的基本原理建立PSCAD/EMTDC 仿真模型，将其串接变压器低压侧。为了验证模型的有效性，下面基于所建模型，开展短路电流限制器故障方式的仿真分析。短路电流限制器启动定值设置为：瞬时值取7.0 kA，变化量取10 kA/s。变压器低压侧三相短路仿真结果如图5 所示。

图5 短路电流限制器三相短路故障仿真结果

由图5 可知，变压器35 kV 母线出线处3.0 s三相短路故障时，采用短路电流限制器在3.007 5 s时将短路电流开断，整个开断过程7.5 ms，说明采用短路电流限制器能够快速开断故障。

d）短路电流限制器旁路限流电抗器。变压器低压出口的限流电抗器唯一的用途就是限制系统的短路电流。如在限流电抗器两端并联1 台短路电流限制器，正常运行时，负荷电流几乎全部流过短路电流限制器；当母线或出线发生两相或三相短路时，短路电流限制器快速开断使电抗器投入，起到限制短路电流的作用。

短路电流限制器的具体作用如下：一是节能降耗，采用短路电流限制器将电抗器旁路后具有显著的节能降耗作用。二是消除无功损耗，电抗器存在巨大的无功损耗，影响变电站带负荷的能力，采用短路电流限制器后彻底消除限流电抗器的无功损耗，起到了降低线损、改善系统功率因数的作用。三是提高供电质量，电抗器一般会使母线电压降低3%～8%，若遇到大型感性负载（如大容量电动机等）投入，电压降则更大。装设短路电流限制器后，将使电压质量得到提高。四是消除干扰，消除了电抗器磁场及噪声对环境和设备的干扰，以满足国家有关电磁场干扰强制标准要求。

当35 kV 侧3.0 s 时刻发生三相短路时，限制器投入使用，将短路电流限制在10 kA 以内。10 ms 时间之内短路电流限制器的高压限流熔断器断开，限流电抗器投入运行。仿真结果如图6 所示。

图6 限制器旁路电抗器的仿真结果

从图6 可以看出，正常运行时电流全部流过限制器，在变压器35 kV 侧三相短路时，短路电流限制器在7.3 ms 时将短路电流转移到限流电抗器上。这样既能在正常运行时减少电抗器的损耗，又可以在故障时将电流全部转移到限流电抗器上，达到限制短路电流和节能降耗的目的，长期运行将节省大量资金。

3 短路电流限制器对变压器保护的影响

电力系统中的继电保护装置，不间断地监视各种电气设备（发电机、变压器、母线与线路等）的运行状况并贯穿从发电、输电直至配电和用电的整个过程，以保证最大限度地连续供电和最小的故障损失。短路电流限制器作为一种新型保护设备已得到普遍应用。由于短路电流限制器主要是应用在变压器低压出口处，其接入低压侧，改变了系统阻抗，进而引起了电气量的变化，故下面以此为例来分析短路电流限制器对继电保护的影响。

3.1 变压器保护典型配置

3.1.1 主保护

配置两种不同原理的变压器差动保护以及本体非电量保护。

3.1.2 高压侧及中压侧后备保护

a）带偏移特性的阻抗保护。指向变压器的阻抗不伸出中压侧母线，作为变压器部分绕组故障的后备保护，指向母线的阻抗作为本侧母线故障的后备保护。

b）过电流保护。复合电压启动的过电流保护或复合电流保护，延时跳开变压器各侧断路器。

c）零序电流保护。保护分两段式，一段带方向，方向指向母线，延时跳开本侧断路器；另一段不带方向，延时跳开变压器各侧断路器。

d）过负荷保护，延时动作于信号。

3.1.3 低压侧后备保护

低压侧后备保护有以下2 种：过流保护，延时跳开本侧断路器；复压闭锁过流保护，设置一段两时限，第一时限跳开本侧断路器，第二时限跳开变压器各侧断路器。

3.1.4 变压器相间短路后备保护的配置

《继电保护和安全自动装置技术规程》（GB/T 14285—2006）第4.3.5 条规定：变压器的相间短路后备保护，宜选用过电流保护、复合电压（负序电压和线电压）启动的过电流保护或复合电流保护（负序电流和单相式电压启动的过流保护）[13]。

3.2 短路电流限制器接入对继电保护的影响

目前短路电流限制器应用于电力系统最常见的两种情况是单独应用和旁路限流电抗器，下文将分两种情况对其进行分析。

3.2.1 单独应用短路电流限制器对继电保护的影响

单独应用短路电流限制器时，当35 kV 侧出口发生短路故障后，变压器的主保护启动；当短路电流幅值大小与电流变化率满足短路电流限制器的整定值时，短路电流限制器的控制器直接发出命令，限制器进入断开电路阶段，限制器在10 ms 内将完全断开，进而切除故障。由220 kV 变压器保护配置可知，短路电流限制器断开后，还没有达到变压器主保护的动作时间（15～30 ms），变压器的主保护还未发出动作命令就已经闭锁。当短路电流幅值大小与电流变化率未满足限制器动作条件时，短路电流限制器将保持在正常工作状态，此时故障将由主变压器的主保护来切除，或者在主保护拒动时由后备保护来实现切除。因此，单独安装短路电流限制器对变压器的主保护与过电流保护不产生任何影响。

3.2.2 短路电流限制器旁路限流电抗器对继电保护的影响

a） 电流保护。由于短路电流限制器旁路限流电抗器接入属于阻抗性质，所以主要影响变压器的电流保护，以下将从变压器电流保护的灵敏度指标来分析其影响。

第一，过电流保护的动作电流计算。低压侧过流保护的动作电流应按低压侧额定电流整定，计算公式如式（1）所示

其中，Krel为可靠系数，取1.2～1.3；Kr为返回系数，取0.85～0.95；Ie为变压器35 kV 侧额定电流。

第二，灵敏度校验。灵敏度校验的计算公式如式（2）所示

b） 短路电流限制器旁路限流电抗器对继电保护的影响。当35 kV 侧发生短路故障时，短路电流限制器在10 ms 内将短路电流开断，同时投入与之相并联的限流电抗器。经过对220 kV 主变保护典型配置分析可知，短路电流限制器在断开后，还没有达到主保护的动作时间（15～30 ms），所以完全可以按照变压器低压侧加电抗器的保护配置方案进行分析。

首先，短路电流限制器旁路限流电抗器对变压器主保护的影响。因为限流电抗器的电阻一般为0.15～0.9 Ω，所以对变压器主保护差动保护灵敏度影响不大，在允许范围内。对变压器差动保护进行仿真（仿真模型图及低压侧区内三相短路、W-U 相间和V-W 相间接地故障差动保护仿真结果图略），由仿真结果可以看出，在低压侧保护范围内发生三相短路、相间短路和相间接地故障情况下，短路电流限制器在10 ms 内正确投入，将短路电流转移到限流电抗器，随后变压器差动保护正确动作。由此可以得出短路电流限制器旁路电抗器对变压器差动保护没有影响。

其次，短路电流限制器旁路限流电抗器对变压器后备保护的影响。由《继电保护和安全自动装置技术规程》可知，变压器各侧都装设了相间短路的后备保护且具有一定的延时（0.3～0.5 s）。当变压器低压侧仅安装短路电流限制器时，在低压侧发生短路故障时，由于短路电流限制器的快速开断使得本侧的后备保护还未启动短路电流就变为零。当变压器低压侧安装短路电流限制器旁路限流电抗器时，在低压侧发生短路故障时，由于短路电流限制器将短路电流转移到限流电抗器，因此在整定低压侧过流保护时可按仅安装限流电抗器整定。

由于变压器中压侧的阻抗比较小，甚至为负值，所以高、中压侧的过流保护一般都能起到互为后备的作用；但因低压侧的阻抗较大（高阻抗变压器或普通变压器加装限流电抗器后），发生短路时，高、中压侧的后备保护对低压侧故障难以满足灵敏度的要求。

4 结论

本文基于PSCAD/EMTDC 电磁暂态仿真程序建立了短路电流限制器仿真模型，通过短路电流限制器各种安装方式的仿真分析，得出如下结论。

a）以线性电阻插值法能够正确模拟高压限流熔断器的非线性熔断特性，在各种故障仿真中验证了模型的有效性。短路电流限制器作为限制系统短路电流保护主设备的一种装置，可应用于开断短路电流、旁路限流电抗器等多种场合。从仿真结果来看，其效果较为理想，特别是对于短路电流水平较高的变电站，加装短路电流限制器是一个较为理想的选择。

b）变压器低压侧只安装短路电流限制器时，由于短路电流限制器可以在发生故障的10 ms 内快速切断故障，变压器的差动、过流等保护装置还未启动短路电流就变为零，故对差动保护和过流等保护装置的正确动作无任何影响。

c）变压器低压侧短路电流限制器旁路电抗器时，由于限制器在故障的10 ms 内快速将短路电流转移到限流电抗器，此时短路电流大幅降低，导致变压器后备保护的灵敏度难以满足要求，特别是高、中压侧后备保护对低压侧故障的灵敏度。短路电流限制器旁路电抗器对变压器差动保护没有影响。