探討串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)對(duì)短路電流的影響(上)

        當(dāng)前世界，隨著電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)、變壓器容量的增大和輸電網(wǎng)電壓等級(jí)的提高，電網(wǎng)中電抗電阻比越來(lái)越大，導(dǎo)致系統(tǒng)短路電流直流分量即使沒有串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)也已變得衰減越來(lái)越慢[11-12]，而串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)的接入將可能繼續(xù)增大斷路器開斷時(shí)刻短路電流中直流分量含量，嚴(yán)重影響斷路器的實(shí)際開斷能力，甚至當(dāng)短路電流直流分量衰減過(guò)慢時(shí)，還可能導(dǎo)致斷路器開斷時(shí)短路電流無(wú)過(guò)零點(diǎn)，出現(xiàn)零偏現(xiàn)象[13-14]。因此，在短路電流超標(biāo)的區(qū)域配置串聯(lián)電抗器(簡(jiǎn)稱串聯(lián)電抗器(濾波電抗器))是改善局部短路電流水平的一種有效方法，美國(guó)、巴西、澳大利亞及國(guó)內(nèi)華東電網(wǎng)等應(yīng)用了這項(xiàng)技術(shù)，均取得了良好的效果[1-5]。

    根據(jù)疊加原理，故障點(diǎn)的短路電流等于各支路之和。串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)后系統(tǒng)等效圖如圖1 所示，其中R、L分別為串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)支路串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)前等效電阻、電感，R′、L′ 分別為剩余支路等效電阻、電感，Lk 為串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)電感，K為短路點(diǎn)。短路電流直流分量初始值ap0 i 為短路發(fā)生瞬間相量差m pm I − I 在時(shí)間軸上的投影，如圖 2 所示，初值ap0 i 的大小還同故障發(fā)生的時(shí)刻有關(guān)，當(dāng)m I 與pm I 的相量差與時(shí)間軸平行時(shí)， ap0 i 最大。衰減時(shí)間常數(shù)a T 隨著串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)的增大而增大，即串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)越大，短路電流直流分量衰減越慢。

    此外，需特別注意的是，當(dāng)短路電流直流分量初值過(guò)高且衰減過(guò)慢時(shí)，可能導(dǎo)致斷路器開斷時(shí)刻短路電流無(wú)過(guò)零點(diǎn)，產(chǎn)生零偏現(xiàn)象[13]。如圖2 所示電源電壓m U 與支路短路前正常工作電流m I 的夾角ϕ 會(huì)根據(jù)支路正常工作時(shí)潮流狀況而變化：當(dāng)短路前有功流向故障點(diǎn)位(即由電源1 流向電源2)且支路無(wú)功潮流表現(xiàn)為感性時(shí)， m I 與相對(duì)m U 位置如圖2 所示， m I 與pm I 夾角將小于90°，此時(shí)ap0 i 小于pm I ；當(dāng)短路前有功流向故障點(diǎn)位且支路無(wú)功潮流表現(xiàn)為容性時(shí)，m I 超前m U， mI與pmI夾角可能大于90°，此時(shí)ap0 i 可能大于pm I ；因系統(tǒng)為多電源系統(tǒng)，當(dāng)短路前支路有功潮流流離故障點(diǎn)位(即由電源2 流向電源1)時(shí)， m I 位于圖2 中三、四象限，此時(shí)m I 與pm I夾角大于90°， ap0 i 也可能大于pm I 。因此，支路短路電流直流分量初始值ap0 i 可能大于短路電流周分量幅值pm I ，如果此支路再加裝串聯(lián)電抗器，隨著串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)的增大，直流分量將衰減的越來(lái)越慢，這都將導(dǎo)致斷路器開斷時(shí)直流分量可能仍大于周期分量，即短路電流無(wú)過(guò)零點(diǎn)，產(chǎn)生零偏現(xiàn)象。

    短路沖擊電流為短路電流最大可能的瞬時(shí)值，在感性電路中，可表示為當(dāng)串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)增大時(shí)，衰減時(shí)間常數(shù)a T 增大，導(dǎo)致沖擊系數(shù)im k 增大，但由于pm I 的減小，短路沖擊電流呈減小趨勢(shì)。由前述，串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)可以抑制短路電流，但也會(huì)帶來(lái)一些負(fù)面影響。所以具體應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)接線和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合計(jì)算，評(píng)估串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)的影響，趨利避害。

    依托750 kV 電網(wǎng)建設(shè)，西北電網(wǎng)近年來(lái)取得了快速發(fā)展，隨著用電負(fù)荷的增長(zhǎng)以及發(fā)電機(jī)組容量的快速增加，WB 電網(wǎng)規(guī)模得到明顯提升，與此同時(shí)短路電流水平也逐步上升，部分母線短路電流可能超標(biāo)，其中最嚴(yán)重的為WB750 kV 變電站的220 kV 母線(WB21、WB22 母線)，其變電站電氣接線如圖3 所示,其中LG 與TH、GS 與HGY 經(jīng)其他線路與WB 形成環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
   
    采用電磁暫態(tài)仿真程序(EMTP)對(duì)2016 年夏季W(wǎng)B 電網(wǎng)短路電流進(jìn)行了仿真計(jì)算，計(jì)算所用電力系統(tǒng)模型基于PSASP“2016 夏季大”數(shù)據(jù)包基礎(chǔ)參數(shù)。以對(duì)研究區(qū)域關(guān)鍵計(jì)算內(nèi)容影響最小為原則確定緩沖區(qū)域及外網(wǎng)(以等值形式出現(xiàn))，最終確定等值邊界，形成研究所用WB 等值系統(tǒng)，共包括含45臺(tái)發(fā)電機(jī)、96 臺(tái)變壓器、152 個(gè)網(wǎng)絡(luò)等值負(fù)荷、408條輸電線和73 條并聯(lián)電容電抗器支路。因短路電流直流分量與短路時(shí)刻有關(guān)，所以針對(duì)WB21 母線短路電流情況，采用系統(tǒng)開關(guān)在一個(gè)周期內(nèi)按等時(shí)間間隔進(jìn)行50 次三相短路計(jì)算，找出使得WB21 短路沖擊電流最大的短路時(shí)刻，并得到該時(shí)刻WB21 短路全電流瞬時(shí)值。基于包絡(luò)線和函數(shù)擬合的方式在Matlab 上編寫短路全電流的分離程序[15]，從計(jì)算所得短路全電流中分離出周期分量和直流分量。