直流式故障電流限制器在高壓斷路器上的應(yīng)用

直流式故障電流限制器在高壓斷路器上的應(yīng)用

由于超高壓電網(wǎng)的不斷擴大，限制短路電流逐漸成為電網(wǎng)的中心技術(shù)之一。對中壓電網(wǎng),由于變壓器容量增大以及小容量電源并入大電網(wǎng)等原因,也出現(xiàn)短路電流過大問題。因此,作為限制短路電流的一種措施,故障電流限制器(faultcurrentlimiter,FCL)成為近年來國內(nèi)外研究開發(fā)的一個熱點。FCL可分為超導(dǎo)型及常規(guī)型綜合式兩大類,每類中又有多種型式。當前掛網(wǎng)運行的最大容量的超導(dǎo)型FCL是美國通用原子公司等單位的15kV、2kA、20kA的整流式FCL。已推向市場的常規(guī)型綜合式FCL中有日本日新公司的6.6kV及66kV的整流式FCL。在已往文獻中,用降低短路電流幅值的程度來衡量FCL的性能,并作為選擇高壓斷路器的根據(jù)。本文認為,由于通過整流式故障電流限制器的短路電流不是通常電網(wǎng)中的正弦形電流,而電流波形對高壓斷路器的開合能力有重要影響,因此不考慮這些因素將導(dǎo)致技術(shù)錯誤。為分析這一問題,本文應(yīng)用電磁暫態(tài)程序(EMTP)計算分析了多種對高壓斷路器關(guān)合及開斷能力有影響的7個因素,包括開斷電流值、后兩相開斷電流值、關(guān)合電流和短路電流峰值、電弧電流過零變化率、電弧能量、恢復(fù)電壓幅值及上升率。1fcl的放電整流式FCL的原理電路見圖1。圖1中Ll為限流電抗器,可為超導(dǎo)型或常規(guī)型。D1-D4為大容量整流元件,如為達到可控制電網(wǎng)運行,亦可為可控電力電子器件。裝有整流式FCL的電路圖見圖2。在仿真計算中取電源電壓峰值為10kV,電源電感Ls=1mH,FCL電感Ll=5mH。通過電磁暫態(tài)程序EMTP計算,可得在預(yù)期短路電流無非周期分量時,裝設(shè)FCL的短路電流波形如圖3所示。裝有整流式FCL可將短路電流限制,限制水平?jīng)Q定于保護繼電器及高壓斷路器動作時間和燃弧時間。這些時間越短,限流能力越強。這種FCL的限流過程和機理可用圖4分析,此處不作具體說明。2影響電流值的影響2.1波電流值的確定斷路器開斷電流值以斷路器開斷前最后半波電流值確定。在預(yù)期短路電流無非周期分量及有最大非周期分量時,裝設(shè)整流式故障電流限制器的各半波電流的幅值見表1。2.2電流沖擊系數(shù)k由圖3可見由于短路電流無非周期分量,短路電流最大值等于開斷電流最大值。根據(jù)有關(guān)標準,未裝設(shè)整流式FCL的情況下,電流沖擊系數(shù)k為2.55。而裝有整流式FCL時,該系數(shù)k為1.41。由于電動力正比于電流值的平方,大大有利于減少電網(wǎng)中各串聯(lián)元件如電流互感器、母線和架構(gòu)等對電動穩(wěn)固性的要求,并使斷路器易于在短路故障下合閘。2.3開斷電流兩相電流開斷困難對中性點絕緣的電網(wǎng),在一般情況下,三相短路故障開斷時,由于三相電流相位不同,電流通過自然零點時間不同,首相開斷后,另兩相形成兩相短路并在5ms后開斷。在沒有非周期分量的情況下,后開斷兩相電流值為首開相的0.87倍。裝有整流式FCL的三相短路電流開斷過程波形見圖5。由圖5可見,裝設(shè)整流式FCL后開相電流反而大于首開相電流,二相電流分別為首相開斷電流的1.12倍及1.05倍,相當于正弦電流時的1.29及1.2倍,這將使得后二相電流開斷困難。一般認為對三相短路故障,無論是油斷路器、真空斷路器還是SF6斷路器,后二相短路電流常比首開相更難開斷,因此上述現(xiàn)象應(yīng)給以注意。3電流波形的簡化分析通常電網(wǎng)中,開斷電流的波形是正弦波形或正弦波形加上非周期分量。由以上各仿真波形可見,有FCL時短路電流波形與通常情況不同。由于有FCL的電流波形比較復(fù)雜,在分析時采用圖6右側(cè)的波形(第1半波除外)。這種簡化的分析方法雖不夠準確,但仍可作出大致合理的判斷。圖6中左側(cè)波形為無非周期分量的正弦電流is,右側(cè)為有FCL的電流波形,虛線為期望短路電流ie,實線為限流電流if。為便于比較,取Ism=Ifm。設(shè)限流比為K,K=Ifm/Iem。Ism、Ifm、Ief分別為正弦電流、限流電流、期望短路電流的峰值。3.1校正電流的下降率b經(jīng)分析,在不同限流比K下,電流過零變化率ηi(以正弦電流的下降率為100%)見表2。由表2可見,限流越強,電流過零變化率越大,由交流電弧熄滅原理可知,這將使斷路器開斷更困難。3.2基于電弧電壓的放電正弦電流半波電弧能量E可用下式分析:E=∫0.010Uaidt.(1)E=∫00.01Uaidt.(1)式中Ua為斷路器電弧電壓,對真空斷路器可取為常數(shù)。此時,上式可改寫為E=UaQ?(2)E=UaQ?(2)式中Q為半波時間內(nèi)通過電弧的電荷量。根據(jù)圖6中簡化的電流波形,可以計算出在不同限流比K下,真空斷路器在有FCL時半波電弧能量與正弦電流半波電弧能量比ηE如表3。由表3可見,限流比加大時電弧能量明顯加大,由交流電弧滅弧原理可知這將使斷路器開斷困難。4電感式fcl性能文分析了電阻式限流器的電阻值及電感式限流器電感對恢復(fù)電壓的影響。結(jié)論是電感式FCL的電感則根據(jù)電感器的電容大小不同,可能提高或降低恢復(fù)電壓。本文對此作仿真分析。分析恢復(fù)電壓的電路見圖7。4.1無fcl恢復(fù)電壓無FCL的恢復(fù)電壓波形見圖8。4.2電感器自振頻率測試取限流電抗器電感值為50mH,電抗器的電容為4nF。計算出的恢復(fù)電壓波形見圖9。圖8及圖9的對比結(jié)果如表4所示。由上可見,在給定的參數(shù)下,由于電感較大,電感上電壓降占恢復(fù)電壓的比例很大;電容較小,電感器自振頻率高;雖然恢復(fù)電壓峰值略低,但總體看來,比不裝設(shè)限流電抗器時的恢復(fù)電壓要嚴重得多。4.3限流器的恢復(fù)電壓經(jīng)仿真計算,有整流式FCL的恢復(fù)電壓波形竟與圖8中無FCL時的恢復(fù)電壓波形完全一致,而與圖9中裝設(shè)限流器的恢復(fù)電壓差別很大。因為根據(jù)圖7,在電流過零后,限流電抗器中的電流衰減很慢而基本保持為常數(shù),因此限流電感上電壓降為零,所以對斷路器上的恢復(fù)電壓沒有什么作用,這樣就與未裝限流電抗器時的上升率很低的恢復(fù)電壓相同,電流更容易開斷。這也是整流式FCL的一個優(yōu)點。5限