两种经济型故障限流器的工作特性比较

为降低大容量输电系统的短路电流水平,提出一种基于饱和电抗器的串联谐振式故障限流器。通过仿真,分析了暂态限流特性,并与基于ZnO避雷器的串联谐振式限流器进行比较。获取饱和电抗器式限流器的较好工作特性需要铁芯磁滞回线、电容器与串联电抗器参数之间的优化配台,关键是降低电容器的过电压。而ZnO避雷器式限流器易于限制电容器的过电压,但短路电流水平限制较低时,会导致串联电抗器上较高的过电压,因此一般不应选取过大的串联电抗器值。由于技术经济性好、结构简单、可靠性高等优点,这两种故障限流器可望在电网中较早获得应用。     

串联谐振型高压故障限流器研究及应用进展述评

近年来,中国部分区域电网短路电流水平(特别是500 kV等级)显著增加,或逼近甚至超过设备遮断容量,制约系统安全可靠运行。相对于传统的被动式短路电流控制措施,故障电流限制器能够主动式地限制短路电流,是具有可观发展潜力的限制短路电流技术。笔者首先介绍了故障限流器的主要分类,其次调查分析了固态故障限流器研究和应用现状,重点展示了串联谐振型故障限流器的拓扑结构和工作原理。最后,针对该型限流器,从系统侧,讨论了安装位置确定、容量选择、布点优化、继电保护整定等外部应用技术问题,从装置侧,讨论了过电压分析、谐波分析和抑制、损耗分析及降损等内部核心技术问题,为中国故障限流器特别是串联谐振型高压故障限流器的深入研发与应用推广提供参考。     

一种改进串联谐振型限流器

串联谐振型限流器(Series-Resonant type Fault Current Limiter,SRFCL)实现故障限流的关键是电容器的旁路(或短路)操作。本文通过引入双分裂电抗器,改变了电容器的旁路方法,实现了对串联谐振型限流器拓扑的改进。在理论上,分析了改进型串联谐振型限流器工作原理,并详细研究了限流过程中双分裂电抗器的电感变化特点。研究了电网稳态时双分裂电抗器绕组自感对限流电抗器和电容器的谐振关系的影响,和故障限流过程中绕组漏感对限流器的限流能力的调节作用和对电容器过流的抑制作用。通过建模仿真,分析了双分裂电抗器的漏感和电容器振荡电流的频率和幅值关系,研究了避雷器(MOV1和MOV2)残压与线路电流和电容器电流的关系。最后,在参数优化的基础上,设计和研制了一台400V改进型串联谐振型限流器样机,测试结果表明了双分裂电抗器能够提高串联谐振型限流器的可靠性和限流能力。     

故障电流限制器工程应用性能研究

故障电流限制器是解决电网短路电流超标最理想的手段之一,而如何选择合适类型的故障限流器尚未有合理的依据。首先比较短路电流水平和故障电流限制器应用支路短路电流的区别,分析出决定故障电流限制器的主要影响因素;在此基础上,引入CIGRE对故障电流限制器的定义和相关性能指标;最后介绍超导型、并联开关型、串联谐振型、电力电子型故障电流限制器的基本原理和样机、工程应用情况,并归纳出几种故障电流限制器的性能评价指标,为故障电流限制器的工程应用提供依据。     

串联谐振故障电流限制器在青海西宁地区超高压电网中的应用研究

加装串联谐振故障电流限制器是解决超高压电网短路电流超标的有效措施。分析了串联谐振故障电流限制器的基本原理及安装方案,通过公式推导计算,提出串联谐振故障电流限制器限流参数选择的解析法,为故障电流限制器参数选择提供理论支撑。研究青海西宁地区超高压电网中750 kV母线短路电流超标原因,计算加装故障电流限制器后母线短路电流水平,在此基础上提出限制青海西宁地区750 kV短路电流措施。研究成果可为青海750 kV电网限制短路电流提供借鉴。     

不同故障下串联谐振式FCL对高压断路器恢复电压的影响

为了使串联谐振式故障电流限制器(series resonance type fault current limiter,SRFCL)能在超高压电网中投入实际应用,采用电磁暂态仿真计算软件ATP-EMTP,研究分析了500 kV电网中在母联处加入串联谐振式FCL对高压断路器在开断不同短路故障时恢复电压的影响。计算结果表明:加入串联谐振式FCL后,当断路器开断出线端短路故障时,恢复电压上升率提高了18%,第一参考电压提高了2.6%。当开断近区故障时,90%额定短路电流和75%额定短路电流条件下,恢复电压起始部分的上升率分别下降了19.26%和25.6%,峰值分别下降了11.05%和15.73%。当开断母线短路故障时,串联谐振式FCL对母联上断路器恢复电压的上升率有显著的影响,加入之后恢复电压上升率比加入之前提高了13.1倍,第一参考电压提高了78.5%。在母线出现短路情况下,恢复电压上升率与第一参考电压的大幅提高将严重影响断路器的开断,在串联谐振式FCL的应用过程中需要加以考虑和解决。     

故障限流器的工程应用分析方法研究

故障限流器能够在电网正常运行时控制串抗退出,电网故障时控制串抗快速投入,因此既能有效限制短路电流,又不影响电网正常运行。在对故障限流器的技术特点进行简要分析的基础上,进一步对故障限流器在大电网短路电流限制方面的应用进行研究,提出了故障限流器在实际电网应用的一般性分析方法。以某实际电网为例,对故障限流器在电网中应用的选址、定容方法进行了验证。结果表明:合理的选址、定容方案能够最大化发挥故障限流器对电网的短路电流限制效果。     

基于限流器本体信号的短路故障快速识别方法

短路故障快速识别是串联谐振型限流器控制策略的重要环节。文章利用限流器谐振元件电压差在短路故障时会发生突变的机理,提出谐振电压差识别方法。从合闸角和故障距离等参数角度分析了识别方法的时间特性,搭建了基于可编程技术的触发系统,用模型实验验证了所提方法的快速性。仿真结果表明谐振电压差法响应速度快,而且不受故障参数变化的影响,但会受到断路器开闭操作的干扰,因此谐振电压差法需和短路电流瞬时值法相互配合。模型实验表明谐振电压差法能在1 ms内发出故障判据信号,从而能极大地提高限流器工作的快速性。     

串联谐振型短路限流器对次同步谐振影响的研究

介绍了串联谐振型短路限流器的结构、原理以及次同步谐振的机理。以广东电网2015年丰大、丰小、枯大3种运行方式的规划数据作为研究对象,采用状态空间分析法分析了在典型电厂电力送出线路上加装串联谐振型短路限流器对发电机组次同步谐振特性的影响,计算系统次同步频率范围内的特征值,并以此分析系统的稳定性。结果表明,串联谐振型短路限流器会引发系统次同步谐振,在工程应用中应重点关注该问题。     

超高压电网串联谐振型短路电流限制器关键技术

串联谐振型短路电流限制器是目前解决超高压电网短路电流水平超标的一种有效手段,电容器组旁路装置的性能与限流深度是串联谐振型短路电流限制器研究中的2个关键技术问题。结合前人的工作,针对这2个技术问题进行了研究,提出了新型串联电容器组旁路装置以及可变阻抗电抗器,可以有效提高超高压电网串联谐振型短路电流限制器的限流效果。对超高压电网短路电流限制器的研究现状进行综述,对串联谐振型限流器的2个关键技术问题——电容器组旁路装置与限流深度进行了分析,介绍了新型串联电容器组旁路装置的原理、结构并对其性能进行了分析。新型旁路装置在可靠性、动作速度、通流能力以及经济性方面都有很高的性能。介绍了可变阻抗限流电抗器的原理、结构并进行了验证性试验,经试验验证阻抗可提高100倍以上。     

改进桥路型高温超导故障限流器的实验研究

由于基本桥路型超导限流器对短路电流稳态值限流效果较小,本文提出了一种改进桥路型高温超导故障限流器。正常工作情况下,限流器四个桥臂上的二极管均导通,对系统无影响;系统发生短路故障后的前100μs内,该限流器像基本桥路型限流器一样立即限制短路电流峰值,其后利用固态开关的切换,将二极管和偏压电源从限流器中退出运行,超导线圈的电感能限制故障电流峰值和稳态值,利用限流电阻与超导线圈串联限流,进一步提高其限流能力,从而使装置能有效地限制短路电流稳态值。实验表明,该限流器具有很好的限流和重合闸能力,能显著减少暂态及稳态的故障电流,有效提高系统动态稳定性和电网电能质量。     

新型限流式统一潮流控制器限流分析与参数设计

统一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)在电网系统发生短路故障时,极易受到大电流冲击而损毁。虽然具有短路限流功能的统一潮流控制器(限流式UPFC)在一定程度上限制了大电流冲击,但短路电流峰值仍然很大,限流时间较长。为此,提出一种采用RLC串联谐振电路的限流器二次侧拓扑结构,分析了其工作原理和限流动态过程,建立了发生故障时的数学模型。针对限流式UPFC直流侧电容电压在限流过程中不断上升,极易超出变换器IGBT耐压水平的缺陷,分析了故障模型中直流侧电容电压上升的原理,设计了用于改变短路电流流通路径的桥式电容限压器。仿真结果表明,改进方案能进一步减小短路电流峰值和上升率,使短路电流迅速衰减至零,同时限制直流侧电容电压的不断增大,确保限流式UPFC安全退出运行。     

新型磁控开关型故障限流器拓扑及试验研究

基于饱和铁心型高温超导故障限流器的拓扑,提出了一种适用于中高压电网的磁控开关型故障限流器拓扑结构,在偏置回路中串联了一个限流电感,通过故障前后交流电流的变化自动实现限流电感的退出和接入,从而实现对短路电流的限制,并研制了一台220 V/50 A试验样机。对限流器样机的试验结果表明,磁控开关型故障限流器在正常工作时电压损耗很小,对线路几乎没有影响;故障发生后,限流电感立即自动插入故障回路进行限流,基本不产生谐波,运行控制灵活且简单可靠,对短路电流具有快速、有效的限制作用。     

应用于谐振型限流器的双分裂铁心电抗器研究

为了降低串联谐振型限流器中流过晶闸管短路电流的幅值和上升率,提高电容器旁路电路的可靠性,提出一种双柱双分裂铁心电抗器,将晶闸管串接在双分裂电抗器的一个支路,然后再与补偿电容器并联。系统正常运行时,双分裂电抗器表现为大电感,流过的电流很小;在电网线路发生短路故障时,晶闸管导通,双分裂电抗器表现为小电感,快速转移流过补偿电容器的短路电流,谐振状态破坏从而实现限流功能。设计并制作了一台应用于400 V串联谐振型限流器的双柱双分裂铁心电抗器样机,基于三维棱边有限元法对电抗器磁场分布和电感参数进行了计算。电抗器以单支路小电流模式运行时,电感为192 m H;以双支路大电流运行模式时,电感为151μH。通过短路电流冲击测试发现,双分裂电抗器可实现电流快速转移且两支路电流均匀分配,电感测试值与仿真值吻合较好。为了降低晶闸管的冲击电流,提出一种在保持单支路运行电感恒定的前提下调整双支路运行电感的方法,仿真结果证明了该方法的有效性。     

两级式串联补偿型故障限流器

针对传统故障限流器运行效率低、限流效果差等问题,设计了一种两级式串联补偿型故障限流器。通过滞环控制方式控制直流励磁电流,从而快速调节限流器输出阻抗,在电网正常运行时对电网进行动态串联补偿,在发生接地故障时实现两级式限流。利用MATLAB/Simulink软件平台搭建系统仿真模型。仿真结果表明,两级式串联补偿型故障限流器具有良好的补偿效果及限流能力。     

磁元件型故障限流器电网接入技术研究

随着电力系统输送容量不断增加,电网短路电流水平增长,传统的被动限流措施难以有效降低短路故障电流。通过对磁饱和开关型和磁通约束型2类磁元件型故障限流器的结构分析,研究磁元件型故障限流器的响应特性,并建立统一的响应分析模型。建立单机无穷大分析系统,研究了磁元件型故障限流器的响应特性对短路电流的抑制效果,以及限流器对电网安全稳定性的影响。研究福浙断面投入故障限流器对输电断面输送功率的影响,仿真分析对电网安全稳定性的影响。使用浙江电网数据对磁元件型故障限流器不同接入方案进行分析,得出在短路电流最严重处布置故障限流器抑制效果最明显的结论。     

串联谐振式限流器对操作过电压的影响及分析

串联谐振式故障电流限制器(SRFCL)是目前最有希望在超高压电网中应用的限流器。笔者采用EMTP和PSCAD电磁暂态仿真软件,以500 kV电网中不同位置安装15Ω串联谐振式限流器为例,计算和分析了SRFCL对操作过电压的影响。其中工况包括:①开断空载线路操作过电压;②单相接地故障导致三相甩负荷引起的操作过电压;③三相甩负荷操作过电压;④单相自动重合闸操作过电压。分析结果认为:SRFCL对②、③、④影响很小,而对①具有明显影响。笔者还对影响的机理和因素作了分析,这些可以为SRFCL在超高压电网中的应用提供参考。     

串联谐振式限流器的仿真研究

串联谐振式限流器具有工作原理、拓扑结构简单等优点,且对于高压系统,其一次回路参数能够做到合理配置;但在电网发生短路故障进入短路限流工况过程中,其电容器及并联转换开关将工作在相当恶劣的条件下。应用Matlab软件对上述情况进行了建模仿真研究,得出如下结论：①闭合转换开关短接电容器使限流器从正常运行模式切换到短路限流模式过程中,将在电容与转换开关之间产生电压（电流）的高频振荡,且振荡电压（电流）的幅值与转换开关的动作速度成振荡增幅关系;②当转换开关采用功率半导体器件构成时,要求控制系统快速响应短路故障闭合转换开关,否则极易因振荡过流（过压）而损坏;③在限流器进入短路限流模式但继电保护尚未动作于断路器切断故障回路期间,转换开关将承受全部短路电流以及振荡电流,采用电力电子型转换开关时,其功率半导体器件的容量必须按这种工况进行选择。     

串联谐振式限流器的仿真研究

串联谐振式限流器具有工作原理、拓扑结构简单等优点,且对于高压系统,其一次回路参数能够做到合理配置;但在电网发生短路故障进入短路限流工况过程中,其电容器及并联转换开关将工作在相当恶劣的条件下.应用Matlab软件对上述情况进行了建模仿真研究,得出如下结论:①闭合转换开关短接电容器使限流器从正常运行模式切换到短路限流模式过程中,将在电容与转换开关之间产生电压(电流)的高频振荡,且振荡电压(电流)的幅值与转换开关的动作速度成振荡增幅关系;②当转换开关采用功率半导体器件构成时,要求控制系统快速响应短路故障闭合转换开关,否则极易因振荡过流(过压)而损坏;③在限流器进入短路限流模式但继电保护尚未动作于断路器切断故障回路期间,转换开关将承受全部短路电流以及振荡电流,采用电力电子型转换开关时,其功率半导体器件的容量必须按这种工况进行选择.     

非电阻型高温超导限流器概述

短路电流会威胁电网电力系统的安全可靠运行,人们将超导技术应用于电力系统中,并有效结合电力技术,研制出了高温超导故障限流器。故障限流器可以限制短路电流及其所造成的危害,有效地维护电网安全。高温超导故障限流器可分为电阻型和非电阻型,饱和铁芯型高温超导限流器是非电阻型故障限流器的一种,它集众多优异特性于一体,限流恢复时间极短、限流功能可靠以及输电稳态损耗极小,因此有非常广阔的产业化前景。