（电力系统及其自动化专业论文）一种可改善电能质量的故障限流器的研究.pdf

a b s t r a c t t h eg r o w t ho fe l e c t r i cp o w e rc o n s u m p t i o nh a sr e s u l t e di nac o r t e s p o n d i n gd e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e m ，i na d d i t i o nt h er e q u i r e m e n tf o r t h es t a b i l i t yo ft h el a r g es y s t e mh a si n c r e a s e d u t i l i t i e sa r ef a c e d w i t hf a u l tc u r r e n tw h i c hc a ne x c e e dt h er a t e dc a p a c i t yo ft h ei n s t a l l 一 e dc i r c u i tb r e a k e r sa n do t h e re q u i p m e n t s ，a n dt h ef a u l to f t e nr e s u l t i nas e r i o u sv o l t a g es a gw h i c hc a nm a k e t h ep o w e rq u a l i t yl o w e r t o c o r r e c tt h e s ep r o b l e m s ，af a u l tc u r r e n tl i m i t e r ( f c l ) i sa v a i l a b l e t h i sp a p e rh a sa n a l y z e dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fv a r i o u sf a u l tc u r r e n t1 i m i t e r sw i t hr e f e r e n c et ot h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t so f s h o r t c i r c u i tc u r r e n t1 i m i t e r st h a t h a v eb e e nr e p o r t e d ，a f a u l tc u r r e n t1 i m i t e rt h a ta c c o r d i n gt ot r a n s f o r m e r t y p er e a c t o ri s p r o p o s e d t h i sf c li sc o m p o s e do fac a p a c i t o ri np a r a l l e lw i t hp r i m a r y s i d eo ft h er e a c t o r ，a n di t ss e c o n ds i d ei sc o n n e c t e dt oad i s c h a r g e g a p i tc a nr e a l i z et r a c e ，d e t e c t i o na n dp e r f o r m i n gf u n c t i o n a u t o m a t i c a l l y ，a c c o r d i n gt ot h ev a r i a t i o no ft h ev o l t a g ed r o pa c r o s s c a p a c i t o r i nn o r m a lo p e r a t i o nc o n d i t i o n s ，t h ev o l t a g ea c r o s s c a p a c i t o ri sv e r ys m a l la n dd i s c h a r g eg a pd o e sn o tb r e a k d o w n ，s ot h e i n d u c t i v er e a c t a n c eo ft h er e a c t o ri st w oo r d e r so fm a g n i t u d eh i g h e r t h a nt h ec a p a c i t i v er e a c t a n c eo ft h ec a p a c i t o ra n ds e r i e sw i t ha i n d u c t a n c e ，t h ef c lc a na t t a i nt ot h eg o a lo fc o n t r o l l a b l es e r i e s c o m p e n s a t i o n w h e nt h e r ei sal a r g ef a u l tc u r r e n ti np o w e rs y s t e m s ， d i s c h a r g eg a pb r e a k d o w n ，t h ei n d u c t i v er e a c t a n c eo ft h er e a c t o r d e c r e a s e sa n db e c o m e sc o m p a r a b l ew i t ht h ec a p a c i t i v er e a c t a n c eo ft h e c a p a c i t o r ，t h ec i r c u i tp r o d u c e sal a r g ei m p e n d e n c et h a tr e d u c e st h e f a u l tc u r r e n td u et oo c c u r r e n c eo fp a r a l l e lr e s o n a n c e t h ea u t h o rh a sa n a l y z e di t sw o r k i n gp r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c i nd e t a i l t h e n ，m a t h e m a t i c a lm o d e la n dc i r c u i tc o n f i g u r a t i o no ft h e f c la r ei n t r o d u c e d ，a n ds y s t e ms i m u l a t i o ni sm a d eb ya p p l y i n ge l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n tp r o g r a m ( e m t d c ) s o f t w a r e ，t h er e s u l tp r o v e st h e f e a s i b i1i t yo ft h ef c l i t i na d d i t i o n ，t h e sp a p e ra l s oa n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i co ft h i s f c la f f e c t i n gt ov o l t a g es a g sd u et os h o r t f a u l ti nt h r e e m o d e ls y s t e m s o fd i f f e r e n tn e ts t r u c t u r e t h eb e t t e rp e r f o r m a n c eo ft h e f c li sp r o v e db ys i m u l a t i o n i tw i l l b eap r a c t i c a lp r o t e c t i v ed e v i c ef o rr e s t r a i n i n gt h es h o r t c i r c u i t c u r r e n ti np o w e rs y s t e m si nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：f a u l tc u r r e n ti i m i t e r ( f c l ) ；s h o r t c i r c u i t ；r e a c t o r ；e n e r g y q u a l i t y ：v o l t a g es a g s i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：交l 篮e t 期：2 丝z 垒：! f 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：壹l 莹导师签名：避日凯墨。! 一坚 1 1 选题背景 第一章绪论 电力系统在运行中，可能发生各种故障导致不正常运行状态，最常见也 是最危险的故障是发生各种形式的短路。发生短路时可能产生很多危害：通 过故障点的很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障元件损坏；短路电流通 过非故障元件，由于发热和电动力的作用，引起它们的损坏或缩短它们的使 用寿命；电力系统中部分地域的电压大大降低，破坏用户工作的稳定性或影 响工厂产品质量，严重情况可能诱发负荷电压失去稳定；破坏电力系统并列 运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使整个系统瓦解i l 】。 基于短路故障造成危害的严重性，在电力系统中，除应采取各种措施消 除或减少发生故障的可能性以外，当故障一旦发生，必须迅速而有选择性的 切除故障元件，这是保证电力系统安全运行的最有效的方法之一1 2 捌。目前 故障切除的时间常常要求小到十分之几秒，在要求较高的情况下则可能要达 到百分之几秒。 从改革开放以来到今天的二十多年里，我国经济持续保持着平衡、健康 的发展势头。作为国民经济的基础和支柱，我国电力事业也以迅猛的势头不 断发展壮大，电源建设方兴未艾，相应的各级电网也在加速扩展，规模不断 增大，互联日趋紧密。但是，电网的快速发展在提高电力供应能力的同时， 也为电力系统带来诸多方面的问题。其中一个重要的问题就是，伴随着电网 容量的增大，短路电流的持续增大为系统安全稳定运行埋下了隐患【4 j 。不断 增大的短路电流对电网至少在以下几个方面形成了危害或者问题1 5 】： ( 1 ) 增加设备投资。短路电流增大以后，为满足动、热稳定要求，需 选用具有更大遮断电流的断路器以及其它相配套的电气设备，这 就必然导致投资费用的增加。 ( 2 ) 故障点的破坏性大。短路电流大幅度增大以后，架空线路故障点 破坏加剧，绝缘予破损，导线熔断严重；埋地电缆的损坏更严重， 并危及其它电缆，使修复时间变长，延长停电时间。 ( 3 ) 增加通信线路的危害。短路电流大幅度增大，发生不对称短路时， 不平衡电流产生足够的磁通，在邻近的电路感应出很大的电动势， 这对架设在高压电力线路附近的通信线路或铁道信号系统，尤其 是平行于电力线路的通信线路是一种很大的危害。 ( 4 ) 危害人身。短路电流大幅度增大使不对称短路时流入地网的电流 成正比增加，1 0 k v 铁塔附近的接触电压和跨步电压也成正比增大， 危及人身和牲畜。 ( 5 ) 增加对主变压器的损害。馈线短路电磁力对变压器的损害有积累 效应，短路电流大幅度增大以后，多次近区短路的变压器很可能 潜伏着损坏隐患。 为了应对短路电流不断攀升对电网安全稳定带来的挑战，特别是对像在 大容量发电厂中，当发电机并联运行于发电机电压母线上，即采用母线的主 接线时，短路电流可达几万安以及几十万安，为了防止或减小过大的短路电 流带来的如上述的种种危害，往往需要选用加大容量的电器，但当短路电流 增大到一定程度时，可能会因开断电流不能满足要求而选不到符合要求的高 压电器。为了能够合理的选择容量匹配的轻型电器，在传统上通常采用以下 手段来对短路电流加以限制。 ( 1 ) 选择适当的主接线方式和运行方式【6 7 】 为了减小短路电流，可选用计算阻抗较大的接线和运行方式。如对大容 量发电机可采用单元接线，尽可能在发电机电压级不采用母线；在降压变电 所中可采用变压器低压侧分裂运行方式，即所谓“母线硬分段”接线方式； 对具有双回路的电路，在负荷允许时可采用单回路运行；对环型供电网络， 可在环网中穿越功率最小处开环运行。 ( 2 ) 采用低压分裂绕组变压器【8 j 当发电机容量较大时，可以采用低压分裂绕组变压器，组成扩大单元接 线。分裂绕组变压器在正常工作和低压侧短路时其电抗值不同，从而可以起 到限制短路电流的效果。 ( 3 ) 加装限流电抗器【9 】 为了限制短路电流，使发电机回路与用户侧能够采用轻型断路器，可以 选择在发电厂或变电所的某些回路加装电抗器，包括普通电抗器以及分裂电 抗器。 以上几种限制短路电流的手段从原理到应用方式上都有所不同【1 0 1 。 采用每一种手段限制短路电流的效果也有差别，都可以在不同程度上实现对 短路电流的约束和限制。但与此同时，它们又存在着各自的缺陷和不足，并 以另一种形式对电网产生了不利影响。采用变换主接线形式和运行方式等手 段会降低电网的供电可靠性和灵活性，同时，增大了系统阻抗，在正常运行 时也使电网的有功及无功损耗增加；采用加装线路限流电抗器或者增加变压 器阻抗同样不能避免在系统正常运行时消耗大量无功功率，降低电网无功功 率裕度。此外，增加运行阻抗也会降低线路功率输送能力，或在相同输送功 率下减小系统同步稳定裕度。 由此可见，这些传统措施都有很大的局限性，因此开发合适的限流器 装置已势在必行，故障限流器( f c l f a u l tc u r r e n tl i m i t e r ) 便应其需要 而产生了。 1 2 国内外的发展方向 在2 0 世纪7 0 年代就有人提出了f c l 。此后至8 0 年代初期不断有人对 此进行研究，这可以看作是f c l 发展的第一阶段。这个阶段f c l 的特点是使 用机械开关，其主要技术是针对灭弧问题，但是装置成本高、速度慢难以及 难以灵活控制，只能在第一半波后起作用，不能够限制短路电流的峰值，故 未能在电力系统中得到实际应用。 从8 0 年代中后期开始到9 0 年代初期，由于新技术的出现以及原有技术 的发展，一系列新型f c l 的提出，这可认为是限流器发展的第二阶段。这一 阶段中，研究人员的重点在于自愈合熔丝和串联电弧设备的研制。但是，自 愈合熔丝中，n a 气化产生的等离子具有腐蚀性，因而装置的动作次数受到 限制；串联电弧设备的动作次数同样受到限制，所以，这两种限流设备都未 能应用到实际中去。而在此期间，固态故障限流器以及高温超导限流设备也 被提出，但是由于相关技术的不成熟，发展速度比较缓慢1 1 2 。14 1 。 进入9 0 年代以后，随着电力电子开关的飞速发展和超导技术的进步， 故障限流器的开发与研制进入了快速发展阶段。尤其是在柔性交流输电技术 提出以后，f c l 被认为是一种新型的f a c t s 设备而受到了广大研究人员的重 视，这时限流器的发展进入了第三阶段。从近十几年的发展来看可以将故障 限流器分为两大类： ( 1 ) 采用具有特殊性质的材料作为基本组成部分的新材料型f c l ； 3 ( 2 ) 电力电子型f c l 新材料型f c l 到目前为止主要有两种类型，一类是：超导故障限流器 ( s u p e r c o n d u c t i n gf a u l tc u r r e n tl i m i t e r ，缩写为s f c l ) ；另一类是聚合 物型故障限流器( p o l y m e rb a s e df a u l tc u r r e n tl i m i t e r ，缩写为p f c l ) 。 它们的基本原理都是利用新材料一超导体和聚合物的优良特性。当电力系统 正常运行时，传输电流在临界电流以下，材料的电阻几乎为零，对电力系统 无影响；一旦电网发生短路，而短路电流又大于临界电流时，新型材料就会 产生非线性高电阻，从而限制短路电流。新材料f c l 集检测、转换和限流于 一身，能在毫秒级时间内有效的限制故障电流【”d7 1 。但目前还处于实验阶段， 离实用还有一段距离，而且价格昂贵。 电力电子型f c l 基本原理是利用晶闸管的快速通断来替代传统的切换 开关来完成阻抗的快速切换，从而快速限制电流。它具有控制迅速灵活、允 许动作次数多、成本低、体积小等优点，因此具有很高的实用性，在电力系 统中有着广阔的应用前景【1 8 l 。但是它们也有缺点，因电力电子器件开通和 关断负载电流而具有杂散损耗较大的缺陷；同时，电力电子器件单个器件容 量有限，应用于中高电压等级的电网时，需要多个元件的串并联；所需的电 子元件大多为进口，同样有设备成本昂贵的问题。 本文提出一种基于变压器型电抗器的故障限流器，它是利用放电间隙配 合变压器型电抗器自动实现跟踪、检测和动作功能于一体。因此该f c l 装置 具有结构简单，且无复杂的控制电路，动作时间快，成本较低等特点，是 f c l 的一种新尝试。 1 3f o l 的优点及设计要求 f c l 的研制和开发为电力系统故障抑制提供了一条全新的途径，它是现 代电力系统中的重要元件，它的优越性可以归纳为【”之0 1 ： ( 1 ) 一般来说，电压等级越高，故障电流越大，越难以歼断，而f c l 的使用可直接减轻断路器的开断负担； ( 2 ) 快速限制短路电流可减少线路电压损耗和发电机的失步概率，如 果能配置恰当的限流器，则系统的功角稳定、电压稳定频率都能得到有效的 改善； 4 ( 3 ) 目前输电线路的实际输送能力均在稳定极限以下，如果限流器能 在短路电流达到峰值之前就发挥作用，大多数设备设计和选用时所要求的热 稳定极限和动稳定极限就可降低，电网的热极限和稳定极限也可相应减小， 从而大大提高输电线路的利用率。 ( 4 ) 在故障切除前快速地限流，缩短了配电网母现电压下凹的时间， 有利于电网电压质量地提高。 在进行f c l 地设计时，应该使其满足下面几点要求： ( 1 ) 正常运行时对系统无不良影响且损耗小； ( 2 ) 故障时能迅速动作、可限制短路电流峰值以及稳态值；动作时不 造成过电压等副作用； ( 3 ) 故障后能自动复位； ( 4 ) 不影响继电保护动作； ( 5 ) 能保证配电网的电能质量； ( 6 ) 所限制短路电流不能超过后面保护设备瞬时或切断等级； ( 7 ) 在需要维修前能重复运行多次( 5 0 次左右) ； ( 8 ) 成本低，或者性价比较高，能为电力部门接受。 1 4 本文所做工作 本文从近年来出现的各种不同拓扑结构的故障限流器入手，分析了这些 限流器各自的原理和优缺点，进而研究了一种带串联补偿作用的基于变压器 型电抗器的故障限流器，本篇论文所做的主要工作如下： 1 、从该限流器的拓扑结构出发，对基于变压器型电抗器的故障限流器的工 作原理和特性进行了详细的理论分析。 2 、分析了限流器的限流参数和对系统的串联补偿度。并建立了故障限流器 的数学模型和电路结构，详细解析了其工作原理。 3 、应用电磁暂态仿真程序e m t d c 进行仿真，对该限流器在配电系统中一些 典型的短路故障中的作用进行了验证，证明了该故障限流器的可行性， 并对限流效果进行分析。以系统的功角特性为出发点，研究了故障限流 器对系统暂态稳定性的影响。 4 、以该限流器为基础，理论分析了三种典型网络结构下，限流器对提高电 5 压暂降幅值和减小临界距离的作用。 5 、仿真分析了三种典型网络结构下，限流器对改善电压质量和抑制故障时 系统电压跌落的作用，并对仿真结果进行分析，从而比较不同网络结构 下限流器对不同网络的作用特点。 第二章f c l 的基本原理和几种典型f c l 的分析比较 2 1f c l 的结构和基本原理 f c l 的基本原理是在串联电抗器限流的基础上发展而来的，它克服了传 统串联电抗器限流器的缺点，它的结构可表示为图2 1 ，它在系统正常运行 时，开关装置处于闭合状态，f c l 无电抗投入；而只在系统故障时开关快速 断开投入电抗器进行限流【2 卜2 3 1 。对应具体的f c l 装置主要有以下四部分组 成，如图2 2 所示：快速故障电流探测元件、快速切换开关、限流电抗器以 及过电压保护元件i z “。 图2 1 故障限流器( f c l ) 模型 图2 2 故障限流器( f c l ) 的原理框图 7 2 2 几种典型f o l _ 的原理及综合分析比较 2 2 1 机械开关型f c l 它的原理结构如图2 3 所示。其基本原理是：系统正常时，开关s 处于 断开状态，串联连接的电感l 和电容c 处于谐振状态，阻抗接近为零；系统 发生短路故障时，s 在故障电流的的第一个半波过零时闭合，并接的电感l 和电容c 形成并联谐振，阻抗非常大，从而限制了短路电流，它们的主要缺 点是：使用机械开关，其主要技术是针对灭弧问题，装置成本高，速度慢以 及难以灵活控制，只能在第一半波后起作用，不能够限制电流动额峰值，故 未能在电力系统中得到实际应用。 z n 0 2 2 2 电力电子型f c l _ sl 图2 3 机械开关型f c l 近十年来，电力电子技术蓬勃发展，水平提高很快，其各种设备已可直 接应用于电力系统中。美国e p r i 曾组织专家对配电网的各种限流技术进行调 研，认为应用电力电子技术发展限流器是比较现实的技术途经。 ( 1 ) 电抗器型f c l 一般由一组反并联的g t o 与限流电抗器并联组成。正常运行时g t o 常通， 将限流电抗器短接，一旦发生短路，在短路电流达到第1 个峰值前迅速将g t o 断开，使电抗器插入短路回路以限制短路电流。g t o 快速截断会引起过大的 d i d t 及d v d t ，产生瞬间过电压及附加振荡，必须配合辅助设施使用 2 5 - 2 6 1 。 ( 2 ) 谐振型f c l 利用电力电子器件使正常工作时处于串联谐振( 阻抗z 一0 ) 状态下的 电路在短路故障时脱谐，或使正常工作下处于非谐振状态下的电路在短路故 障时进入并联谐振( 导纳y 一0 ) ，使线路阻抗增大而限制短路电流。 ( a ) 串联谐振型f c l 2 7 i 8 图2 5 并联谐振式故障限流器 此类限流器容量有限，实用较少。 ( 3 ) 可变阻抗型f c l 可变阻抗型f c l 是在串联谐振f c l 的基础上发展起来的。 图2 6 可变阻抗式限流器 9 如图2 6 所示，正常情况下厶与c 串联谐振，s c r 关断；故障时，通过 s c r 控制使厶与c 并联谐振，从而起到限流作用。改变s c r 的触发角，等效 于改变电感厶的大小，由于s c r 触发角口与阻抗关系复杂，控制较难操作。 ( 4 ) 无损耗电阻型f c l 无损耗电阻型l l r ( l o s s l e s sr e s i s t o r ) 限流器拓扑如图2 7 所示1 3 2 1 。 该限流器由4 个i g b t 和4 个续流二极管元件组成，其电阻值由电感和电容 模拟而成。 图2 7 无损耗电阻式限流器 通过p w m 技术控制i g b t 开关频率来调节该桥路的“等效电阻”，工作 过程中不会产生功率损耗和焦耳热量，当发生故障时可迅速有效的控制短路 电流峰值和稳态值。由于i g b t 调制频率高，所以装置开关损耗大，并会产 生一定的谐波电流。 ( 5 ) 整流型f c l 国内浙江大学电力电子国家重点实验室在专利基础上提出了可在配电 网中应用的单相桥式固态短路限流器，结构简单，在限制短路电流时无过电 压产生，可进行包括自动重合闸在内的各种复杂操作，并可方便地扩展到三 相电路中 3 3 1 。 如图2 8 所示，正常工况下s l 、s 2 控制电流i 在正负工作时装置几乎 呈现零阻抗。当负载侧发生短路，电流i 跳至i l 时，电感l 立即自动串入回 路限制短路电流。关断时只要封锁一组晶闸管地门控脉冲，电流过零时即可 自动关断，而电感电流经另一组晶闸管续流，不会产生过电压。不足是容量 1 0 有限，并有一定地直流损耗。 2 2 3 超导型s f c l v 图2 8 桥式限流器单相拓扑 超导限流器是利用超导体地超导e 常( s n ) 态地转交来限流【3 4 。5 1 ，一 旦电网发生短路，超导体“失超”( q u e n c h ) 由零阻抗表现为非线性高电阻， 从而限制短路电流。s f c l 同时集检测、转换和限流于一身，能在较高电压 下运行，可在极短时间内有效地限制故障电流，是f c l 发展的重要方向。专 家预测在未来几年内超导技术必将在电力工业中获得广泛的应用。 ( 1 ) 电阻型 在电流增大到一定程度时，s f c l 将呈现高电阻而达到限流目的，转变 时间一般为百微秒级。为了减小s f c l 转变时产生的热量对超导体材料的损 害，通常在两端并联电阻器或电抗器。此类限流器结构简单，但检修、维护 较难。 ( 2 ) 电抗器型 ( a ) 电感型 由超导线圈与普通线圈( 限制线圈) 反绕并联组成1 3 6 1 。正常情况下， 限制线圈与触发线圈有相等的电流，产生反方向的磁场并相互抵消，线圈内 无主磁通，装置阻抗接近于零。当电流超过一定值后，超导线圈失超变为电 阻态，大部分电流由限制线圈限制。此类s f c l 的不足就是不适于快速重合 闸运行。 ( b ) 桥路型 桥路型s f c l 的概念是l a n l 和西屋电力公司在1 9 8 3 年提出的【3 7 1 ，它由 4 个二极管练成桥接，如图2 9 所示。 正常情况下桥路始终导通，超导线圈通过直流线圈两端无电压降。在故 t 1 障状况时，正负两个周期内分别有一对二极管不导通，失超线圈自动地串入 线路，可看成有一电抗器突然插入电路起限流作用。由于正常运行期间超导 线圈通过大直流电流，因此装置低温损耗较大。 图2 9 桥路式s f c l 电路拓扑 ( 3 ) 磁通型 ( a ) 磁屏蔽型 由外层的铜线圈、中间的超导层和内侧的铁心或空心电抗器组成，铜线 圈接入电网【3 刖。正常运行时，超导线圈感应磁通可抵消( 屏蔽) 铜线圈产 生的磁通，整个装置呈现很小的电抗值。当电流超过一定值后，超导线圈失 超，磁屏蔽作用消失，s f c l 呈现较大阻抗而限流。此类s f c l 所需高温超导 材料用量较少，所以热负荷较小，但体积大，且限流期间会产生瞬态过电压。 ( b ) 饱和铁心电抗器型 结构为“日”字型铁心电抗器，双交流线圈置于铁心一端磁轭上并加直 流偏压。正常情况下，调节直流偏压使铁心饱和，电抗器呈低电感。电网故 障时，随着交流电流增大，短路电流使两个铁心在一周期内交替地失去饱和， 装置阻抗变大从而限制故障电流。由于正常运行期间铁心处于饱和状态，故 有显著地漏磁场，限流期间会产生较大地电压谐波。 ( c ) 三相电抗器型 三相电抗器型s f c l 由绕在铁心上的三个匝数相同的超导绕组组成。正 常运行时，三相电流平衡，铁心中无磁通变化，装置表现出很小的阻抗。当 发生单线对地故障时，三相电流失衡，电抗变得非常大，故障电流被s f c l 的大的零序电抗所限制。当发生两相或三相短路故障时，故障电流达到超导 绕组的临界电流时，超导绕组失超，故障电流被大的常态电阻所限制。因为 有铁心，此类s f c l 重量较大，且总损耗也较大。 ( 4 ) 变压器型 1 2 ( a ) 普通型 主要有超导二次侧绕组短路的变压器型d a s c 和四绕组变压器型两种。 d a s c 由一次侧绕组、短路的超导二次侧绕组和铁心组成。正常运行期间， 变压器因二次侧短路表现出低阻抗。当故障发生时，二次侧因感应电流超过 其l 临界电流而失超，使变压器阻抗增大，从而限制了故障电流。四绕组变压 器型s f c l 是原二次侧都有各自并联的主绕组和辅助绕组的超导变压器，原 理类似。目前此类s f c l 还处于研究阶段【3 引。 ( b ) 混合型 由可变耦合磁路的变压器和无感绕制的超导线圈组成，变压器原二次侧 绕组反绕。正常运行期间，磁路不饱和，原二次侧绕组间的耦合非常好，装 置阻抗非常小。当线路发生故障时，二次侧绕组电流增大，超导线圈因电流 达到临界电流而失超使整个变压器阻抗增大，从而限制了故障电流。 目前s f c l 的应用还存在几个问题。首先是动作电流整流问题，由于材 料制作工艺水平的限制，还有超导本身的“锻炼效应”等因素的影响，s f c l 的整定电流不是恒值，这是实用化过程一个大问题；其次，s f c l 对继电保 护的影响，s f c l 会影响保护处的测量阻抗，且由于超导体失超恢复时间较 长，一般难以满足重合闸等方面的要求；再次，s f c l 还有失超恢复、散热 和维护等存在问题。 2 3 结论 以上即为各种典型故障限流器的基本原理，通过使用限流装置将短路电 流限制在较低水平，可极大的提高系统的运行稳定性。限流器的使用能够直 接减轻断路器的负担，有利于电网电能质量的提高，此外，还可以提高电网 的热极限和稳定极限，提高限流输电能力。本文介绍的可提供串联补偿的变 压器型故障限流器结合众限流器的优点，能够利用简单的设计达到比较满意 的限流效果，在电力系统中有广阔的应用前景。 第三章变压器电抗器型f c l 的原理和仿真 本章从限制电力系统短路电流出发，介绍了一种采用变压器型电抗器技 术的故障限流器。分析了这种基于变压器型电抗器的限流器的工作机理和限 流特性。将电抗器一次侧与串联在电网中的电容器相并联，二次侧接一放电 阃隙，在系统正常工作时，故障限流器呈现很大的变压器励磁阻抗，不影响 系统运行，而且还可以根据投切不同的电容数组对线路提供可控串联补偿。 故障时，故障限流器呈现与电容器组相当的变压器漏抗，发生并联谐振产生 很大的限流阻抗，从而达到限流的目的。 3 1f c l 的原理 3 1 1f c l 的拓扑结构 如图3 1 所示，f c l 主要由开关控制的电容器组、并联变压器、触发间 隙、限流电感，以及保护用避雷器组成。图中变压器的铁心在电网正常运行 和发生故障时都处于不饱和状态，以实现良好的阻抗变换和限流效果。 1 4 l ) r 一 吼 i 一 _ 一 一 l 。一 图3 1f c l 的拓扑结构 图3 2 变压器t 型等效电路 将变压器的一次侧a x 并接在电容两端，而二次侧接上触发间隙，变比 k = q m 2 ，变压器的t 型等效电路如图3 2 所示。 正常时，电容器两端的电压也就是变压器一次侧电压较小，触发问隙的 动作电压大于此时变压器一次侧电压值，所以它不会动作，此时变压器的阻 抗主要是励磁阻抗比电容的容抗高两个数量级以上，所以不会影响系统运 行。此时的f c l 仅相当于电容和一个电感的串联，放电间隙未动作时的电抗 器等效电路如图3 3 所示。 蜀五 i 图3 3 放电问隙未动作时电抗器的等效电路 补偿方面，根据线路补偿的需要投切不同组数的电容器，这样一方面可 以实现可控线路补偿，另一方面可消除通常线路补偿过程中产生的谐波影 响。 表3 1 串联补偿的运行方式 序号投切的电容器连接形式运行方式 1 c o 、c l 、c ： 并联串联补偿 2 c 0 、c 1并联 串联补偿 3 c 0 、c ： 并联串联补偿 4 c 0 并联 串联补偿 例如，图3 1 中有2 个电容器组，因此有4 种串联补偿运行方式，运行 方式列于表3 1 中。文献l 柏】分析了这种串联补偿方式的效果，结果表明该 f c l 结构能够根据补偿需要精确的调整补偿度，减少谐波，提高系统运行的 稳定性。 故障时，电网中的电流会上升到很高的值，同时电容器两端的电压也随 着变大，通过变压器自动反馈到触发间隙侧，这时触发问隙动作，此时的 f c l 等效电路如图3 3 所示，其中r 、o 分别为从电容侧看进去电抗器的等 效电阻和等效电感，c 为电容器组的等值电容。 厶 t r 8 0 图3 4 间隙击穿后f c l 的等效电路图 3 1 2 限流参数及补偿度分析 设计时我们要求电抗器的等效电感接近于电容容抗，即满足如下关系： 2 l e c 一1 ( 3 1 ) 在图3 4 中，间隙击穿后，电抗器与电容并联再与l 串联共同组成限流 器，其稳态的等效限流阻抗计算如下： z m 2 搿讽一丽r + j o l p 憾- z ， 由式( 3 1 ) 和( 3 2 ) 得： z 。- 旦篆字+ ，鸲一字屿+ 如( 厶一) ( 3 3 ) 由于实际的电抗器等效感抗要远远大于其等效电阻，即o , l ) ) r ，所以 限流阻抗 z 。一等呜一鲁墨 a ) 由式( 3 4 ) 可以看出，限流阻抗是一个近似的纯电阻，这就保证了在 稳态时不会给系统带来额外的谐波成分。并且我们还可以得到，限流器的阻 抗由正常工作时的近似电容变成了故障时的一个近似电阻阻抗，其幅值增大 了埘0 r 倍。在电容c 已经选定的情况下，限流器阻抗z 。与山o r 成正比。 采用限流系数口( 0 5 as 1 ) 来衡量限流器的限流效果，可以用未加装 f c l 的短路电流，和加装f c l 限制后的短路电流l 定义，或者用系统电抗z 1 6 和限流电抗乙。定义： 口。生土三盛 口_ o 一- o 2 1 1z + z m ( 3 5 ) 当然，由于，、，工有暂态峰值和稳态值之分，所以限流系数口也有暂态 限流率和稳态限流率之分。 从上式可以看出，z 。越大，口也越大，该装置的限流能力就越强，因 此在设计时通过改变电抗器的等效电阻r 就可以改变故障时限流器的限流 阻抗，从而达到调节限流程度的目的。 补偿度k 定义如下【4 1 】：f c l 的总容抗以。应为线路感抗绝对值的k 倍，即： & o 一也 ( 3 6 ) f c l 是分装在线路两端的，所以每个f c l 的容抗为致。2 ，从而得到 一争 式( 3 7 ) 可作为选择电容的一个参考条件。 3 。2f c l 的解析原理 3 2 1 含限流器的简化系统电路模型 以， ，c l i 。! 上s r s； c l 图3 5 含f c l 的简化电力系统电路结构 ( 3 7 ) 这里我们以一简化电力系统发生短路故障为例【4 甜，如图3 5 所示，限流 1 7 器是紧接在断路器之后的。k 、咫分别表示系统的等效电感和等效电阻， 电容c 是系统本身固有的，用来补偿输电线路。由上节分析可知，f c l 中厶 数值较小，为方便计算在下面的分析计算中将其省略不计。 在电网正常运行时，电容两端的电压受到限制，并且它与系统的相电 压虬的关系是 u c 一。 ( 3 8 ) 这里y 0 0 5 ，由于放电间隙不会动作，且电抗器的感抗要比电容的 容抗高两个数量级以上，所以此时的限流器不会影响线路的正常运行。 当一个短路故障发生时，若放电间隙未动作( 即f c l 未起作用) ，则整 个系统电压就全部加在如图3 6 所示的l s r s c 电路上。 毛 r s c u 一 图3 6 放电间隙动作前的等效电路图 当一个短路故障发生时，若放电间隙动作( 即f c l 起作用) ，则整个系 统的电压就会全部加在如图3 7 所示的等效电路上。 u ，j 图3 7 放电间隙动作后的等效电路图 3 2 2 放电间隙动作前的电路分析 放电间隙动作前的电路如图3 6 所示，由公式3 8 可知，电容上的电 压很小，因此为了简化电流的暂态分析，可以假设短路故障发生前电容上的 电压降为零，即零状态。这样，我们就可以得到一个零状态下的r ，l ，c 串 连电路的经典模型。当电源电压为正弦波时，即： u p u c o s ( o 甜+ 妒。) ( 3 9 ) 根据电路原理的相关知识，可以得到该电路的二阶微分方程如下： 厶c 争+ b c 警+ 一玑c o s ( “毗) ( 3 1 0 ) 通过求解可以得到电容上的电压降为： - u c 。c o s ( w t 峨) + 监业产( 3 。p “s i n w d t 一【f c o s 妒c e 4c o s w 。t 同理，也可以求得电路中的电流： i 一一钌【，ms i n ( 耐+ 妒c ) + w c u c 。s i n 妒c e “c o s w d t + 垡盟c o s 妒c p 一血f 3 1 2 将公式( 3 1 1 ) 和( 3 1 2 ) 经整理后，可以求得系统中的电流和电容的 电压如下： 卜雌喇+ 瓦蕊函蚴+ 例 u 。一- - 墨- c o s ( “+ ，妙。) 一 黼嘉 4 c o s ( w d t + 伊) 】 ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) 妒c 毗一”r c f g 譬，妒口r c f g ( 旦钟。) (316)-91 叫_ 一 怫茜f 俨8 嘲玄钟c ) 。 口告；。占4 l , c ；弛 ”届i ( 3 1 7 ) 在式子( 3 9 ) 中，饥是t = 0 时刻短路故障发生时，系统电压u 。所对 应的相角。，用是短路电流的稳态幅值 1 9 ，m 。耳露u mi忙+ ( 越s 一去) 2 ( 3 1 8 ) 在实际的电网中，由于r s c o l 一亡，且有a 。所以就可以得到： “l 石 妒c 。妒。一= ；。 则公式( 3 1 8 ) 变为： 。比u r a 去鼍去鼍专 1 9 ) 我们容易得到，当短路发生在吼2 5 石- ，即妒c2 一三2 时，短路电流将达 到最大，即： f 。粤 c o s “- e - 一c o s o j 0 t ( 3 2 0 ) 咄1 一( 笪) ： 此时，电容上的的电压也将达到最大值，即： 一石毛b i i i 研一罢e “s i n 呼】 2 。 3 2 3 放电间隙动作后的电路分析 在图3 7 中由于发生短路故障，电容的电压将迅速增大，导致电抗器二 次侧的放电间隙击穿。这时，从电容端看进去的电抗器感抗将下降两个数量 级，由于与电容发生了近似并联谐振，所以此时限流器的等效电感迅速增加， 其值如下： k 。簧一面w l 巧r 。面t a l p 。去慨2 2 ) 这里叫q = c o l ，一x 。，q = 矿z ，c 是限流器中的振荡频率。 为了分析放电间隙动作后的暂态过程，我们必须要考虑其动作前电路的 状态( 即暂态初始条件) 。我们可以设放电间隙动作前电容电压与电源相电 压的比值y = u 。乩。那么放电阳j 隙动作前电容电压就是已知的，放电间隙 的动作时刻f o 可由公式( 3 2 1 ) 得到。同时f 0 时刻( 此时f c l 尚未限流) 的 初始短路电流f 0 也可由公式( 3 2 0 ) 求得，它是电路在放电间隙动作前的振 荡频率对工频的比值加的函数。 娓咖一两1 - 丽1 压御m 骶汛m 关系曲线如图3 8 所示。 i o s 。 1 0 0 8 0 6 o 4 0 2 1 一1 2 一弋 一 1 2 0 2 0 40 60 81 01 21 4 1 61 8 印b 口 图3 8f 0 时刻的短路电流毛与嘞的关系 ( 曲线1 是y - - - - 0 1 ；曲线2 是y = 0 0 5 ) 从图中我们可以看到，在o j o 6 3 时，时刻的短路电流f o 就 a 厶 不会超过短路时的稳态幅值，艚。 当放电间隙动作后，电路的结构在此瞬间发生了改变：电抗器的感抗降 低了两个数量级。并且与电容容抗相当。这时，整个故障电路的阻抗为式 ( 3 2 3 ) 所示。 ，( j 工，枷斋 z j o ) l s + r s + 平 j m l p r + j c o c 一，k + b + r + j ( o l p l - ( o z l , , c + j o ) c r ( 3 2 3 )_ ，k + b + ( 3 ：r n r + j a ) l p 叫鸣饯+ i 荔 由于在限流器的参数设计中，t o l p 一去 2 l p c - 1 ) ，所以 z _ ，屿+ b + 等。b + 面l p 州咄一专。埘， z _ ，屿+ b + 寄。b + 面+ j ( 咄一意 - b + 急+ j w l s 1 一e ) 2 】 这时，故障电路中的等效电阻快速增大： 足+ 去一恐+ 学 ( 3 2 5 ) 而此时电路中的系统感抗和电容容抗仍将保持不变，与放电间隙动作前 ，工一 ( 鲁) 2 ( 去) 2 + u ( p 咄, ) 2 【1 一( 等) 2 】2 u p r n 越。 u p s r w l sw l p 1 l 吐老嚆，2 1 ( 3 2 6 ) 通过公式( 3 2 5 ) ，放电间隙动作后电路的稳态短路电流l ( 即限制后 的短路电流) 的计算如式( 3 2 6 ) 所示。 这里，因为r t ( 呜) 2 ，r , c ，、八厂 一一 _ 、一、 0203 0 0o 3 _ ；= ；x ；= w ；_ 口= = _ ；# * o 4 # t ￥_ j = = _ _ - - k p “_ * # _ - j j j # _ i ； 。# * # ；”一 ( b