直流式故障电流限制器在高压断路器上的应用

直流式故障电流限制器在高压断路器上的应用

由于超高压电网的不断扩大，限制短路电流逐渐成为电网的中心技术之一。对中压电网,由于变压器容量增大以及小容量电源并入大电网等原因,也出现短路电流过大问题。因此,作为限制短路电流的一种措施,故障电流限制器(faultcurrentlimiter,FCL)成为近年来国内外研究开发的一个热点。FCL可分为超导型及常规型综合式两大类,每类中又有多种型式。当前挂网运行的最大容量的超导型FCL是美国通用原子公司等单位的15kV、2kA、20kA的整流式FCL。已推向市场的常规型综合式FCL中有日本日新公司的6.6kV及66kV的整流式FCL。在已往文献中,用降低短路电流幅值的程度来衡量FCL的性能,并作为选择高压断路器的根据。本文认为,由于通过整流式故障电流限制器的短路电流不是通常电网中的正弦形电流,而电流波形对高压断路器的开合能力有重要影响,因此不考虑这些因素将导致技术错误。为分析这一问题,本文应用电磁暂态程序(EMTP)计算分析了多种对高压断路器关合及开断能力有影响的7个因素,包括开断电流值、后两相开断电流值、关合电流和短路电流峰值、电弧电流过零变化率、电弧能量、恢复电压幅值及上升率。1fcl的放电整流式FCL的原理电路见图1。图1中Ll为限流电抗器,可为超导型或常规型。D1-D4为大容量整流元件,如为达到可控制电网运行,亦可为可控电力电子器件。装有整流式FCL的电路图见图2。在仿真计算中取电源电压峰值为10kV,电源电感Ls=1mH,FCL电感Ll=5mH。通过电磁暂态程序EMTP计算,可得在预期短路电流无非周期分量时,装设FCL的短路电流波形如图3所示。装有整流式FCL可将短路电流限制,限制水平决定于保护继电器及高压断路器动作时间和燃弧时间。这些时间越短,限流能力越强。这种FCL的限流过程和机理可用图4分析,此处不作具体说明。2影响电流值的影响2.1波电流值的确定断路器开断电流值以断路器开断前最后半波电流值确定。在预期短路电流无非周期分量及有最大非周期分量时,装设整流式故障电流限制器的各半波电流的幅值见表1。2.2电流冲击系数k由图3可见由于短路电流无非周期分量,短路电流最大值等于开断电流最大值。根据有关标准,未装设整流式FCL的情况下,电流冲击系数k为2.55。而装有整流式FCL时,该系数k为1.41。由于电动力正比于电流值的平方,大大有利于减少电网中各串联元件如电流互感器、母线和架构等对电动稳固性的要求,并使断路器易于在短路故障下合闸。2.3开断电流两相电流开断困难对中性点绝缘的电网,在一般情况下,三相短路故障开断时,由于三相电流相位不同,电流通过自然零点时间不同,首相开断后,另两相形成两相短路并在5ms后开断。在没有非周期分量的情况下,后开断两相电流值为首开相的0.87倍。装有整流式FCL的三相短路电流开断过程波形见图5。由图5可见,装设整流式FCL后开相电流反而大于首开相电流,二相电流分别为首相开断电流的1.12倍及1.05倍,相当于正弦电流时的1.29及1.2倍,这将使得后二相电流开断困难。一般认为对三相短路故障,无论是油断路器、真空断路器还是SF6断路器,后二相短路电流常比首开相更难开断,因此上述现象应给以注意。3电流波形的简化分析通常电网中,开断电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见,有FCL时短路电流波形与通常情况不同。由于有FCL的电流波形比较复杂,在分析时采用图6右侧的波形(第1半波除外)。这种简化的分析方法虽不够准确,但仍可作出大致合理的判断。图6中左侧波形为无非周期分量的正弦电流is,右侧为有FCL的电流波形,虚线为期望短路电流ie,实线为限流电流if。为便于比较,取Ism=Ifm。设限流比为K,K=Ifm/Iem。Ism、Ifm、Ief分别为正弦电流、限流电流、期望短路电流的峰值。3.1校正电流的下降率b经分析,在不同限流比K下,电流过零变化率ηi(以正弦电流的下降率为100%)见表2。由表2可见,限流越强,电流过零变化率越大,由交流电弧熄灭原理可知,这将使断路器开断更困难。3.2基于电弧电压的放电正弦电流半波电弧能量E可用下式分析:E=∫0.010Uaidt.(1)E=∫00.01Uaidt.(1)式中Ua为断路器电弧电压,对真空断路器可取为常数。此时,上式可改写为E=UaQ‚(2)E=UaQ‚(2)式中Q为半波时间内通过电弧的电荷量。根据图6中简化的电流波形,可以计算出在不同限流比K下,真空断路器在有FCL时半波电弧能量与正弦电流半波电弧能量比ηE如表3。由表3可见,限流比加大时电弧能量明显加大,由交流电弧灭弧原理可知这将使断路器开断困难。4电感式fcl性能文分析了电阻式限流器的电阻值及电感式限流器电感对恢复电压的影响。结论是电感式FCL的电感则根据电感器的电容大小不同,可能提高或降低恢复电压。本文对此作仿真分析。分析恢复电压的电路见图7。4.1无fcl恢复电压无FCL的恢复电压波形见图8。4.2电感器自振频率测试取限流电抗器电感值为50mH,电抗器的电容为4nF。计算出的恢复电压波形见图9。图8及图9的对比结果如表4所示。由上可见,在给定的参数下,由于电感较大,电感上电压降占恢复电压的比例很大;电容较小,电感器自振频率高;虽然恢复电压峰值略低,但总体看来,比不装设限流电抗器时的恢复电压要严重得多。4.3限流器的恢复电压经仿真计算,有整流式FCL的恢复电压波形竟与图8中无FCL时的恢复电压波形完全一致,而与图9中装设限流器的恢复电压差别很大。因为根据图7,在电流过零后,限流电抗器中的电流衰减很慢而基本保持为常数,因此限流电感上电压降为零,所以对断路器上的恢复电压没有什么作用,这样就与未装限流电抗器时的上升率很低的恢复电压相同,电流更容易开断。这也是整流式FCL的一个优点。5限