張志豐 肖立業(yè) 邱清泉 程 剛 田 忠 王 娜 戴少濤

（1. 中國科學(xué)院電工研究所 北京 100190 2. 丹東欣泰電氣科技有限公司 丹東 118006）

1 引言

在各種各樣的電力系統(tǒng)事故中，短路故障是危及電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、導(dǎo)致大面積停電事故最為常見的、最嚴(yán)重的故障之一，其危害波及方方面面，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會影響[1]。超導(dǎo)限流技術(shù)、諧振限流技術(shù)和固態(tài)限流技術(shù)等的發(fā)展，能夠有效限制電力系統(tǒng)的短路故障電流，使電網(wǎng)設(shè)備免受大電流沖擊，提高電網(wǎng)的安全運(yùn)行水平[2-5]。其中，串聯(lián)諧振型限流技術(shù)已經(jīng)成為電網(wǎng)限流技術(shù)發(fā)展的一個主要方向。常規(guī)串聯(lián)諧振型限流器是在常規(guī)限流電抗器基礎(chǔ)上，串聯(lián)一個與電抗器諧振于工頻的電容器，短路時電容器被晶閘管、避雷器、間隙等開關(guān)器件快速旁路，相當(dāng)于電抗器單獨(dú)投入電網(wǎng)，從而達(dá)到限流目的。

串聯(lián)諧振型限流器的技術(shù)關(guān)鍵在于電容器的快速旁路過程的過壓保護(hù)，一種基于飽和電抗器的諧振限流器，采用飽和電抗器與電容器并聯(lián)，利用的是飽和電抗器的非線性電感特性，所表現(xiàn)出的等效飽和感抗有利于短路電流的抑制[6]；一種基于 ZnO避雷器的諧振限流器，采用ZnO避雷器與電容器并聯(lián)，利用ZnO避雷器的非線性電阻，實(shí)現(xiàn)對電容器的旁路，達(dá)到限制故障電流的目的[6,7]；一種基于快速開關(guān)的諧振限流器，直接通過快速開關(guān)實(shí)現(xiàn)了電容器的旁路[8]。

雖然，上述幾種方法對電容器的旁路方法有一定的改進(jìn)，但是，在針對500kV電網(wǎng)的故障限流，仍然采用了多種開關(guān)和保護(hù)器件組合的方案。文獻(xiàn)[9,10]采用避雷器、晶閘管閥、間隙和快速開關(guān)等保護(hù)器件，根據(jù)保護(hù)器件特性不同，及其與之相適應(yīng)的阻尼回路不同，構(gòu)成了3種典型拓?fù)洌孩倏煽卮a(bǔ)結(jié)構(gòu)；②串補(bǔ)結(jié)構(gòu)；③串補(bǔ)閥前小電抗結(jié)構(gòu)，并且，考慮了電流應(yīng)力對晶閘管閥體的影響作用等，解決電容器旁路過程的過電壓保護(hù)電路問題。該方法在一定程度上仍然存在電容器回路的過流沖擊問題，并且，避雷器和晶閘管閥體的容量較大。

本論文引入雙分裂電抗器，從結(jié)構(gòu)上改善電容器的旁路系統(tǒng)，并且通過控制反并聯(lián)晶閘管，配合避雷器等實(shí)現(xiàn)其過壓的保護(hù)和電流應(yīng)力的控制。本文通過分析改進(jìn)的SRFCL的電路拓?fù)浜凸ぷ髟?，研究了雙分裂電抗器參數(shù)對限流器的影響和匹配，分析了限流器主要參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系，并開展了仿真和實(shí)驗(yàn)研究工作。

2 工作原理

在改進(jìn)型串聯(lián)諧振型限流器中，如圖1所示，電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)時，限流電抗器L和電容器C組成串聯(lián)諧振回路，諧振于工頻。采用了雙分裂電抗器M和反并聯(lián)晶閘管G、避雷器MOV1組成了電容器的旁路系統(tǒng)。避雷器MOV2與電容器C并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對電容器C的過壓保護(hù)。斷路器B用于斷開電網(wǎng)的故障電流，Z0為線路等效阻抗，Uac為電源，R為負(fù)載。

圖1 改進(jìn)型串聯(lián)諧振型限流器電路原理圖（單相）Fig.1 Schematic diagram of improved SRFCL(single phase)

雙分裂電抗器M由繞組L1和L2組成，繞組的匝數(shù)相等，磁通方向相反。文獻(xiàn)[11, 12]應(yīng)用雙分裂電抗器將流過超導(dǎo)電阻型限流器的電流減??；文獻(xiàn)[13,14]分別將雙分裂電抗器應(yīng)用于并聯(lián)型斷路器和限流斷路器，用于斷路器的并聯(lián)或?qū)嗦菲鞯拈_斷容量減小。文獻(xiàn)[15]還將雙分裂電抗器引入串聯(lián)諧振型限流器，用于降低流過快速合閘開關(guān)的短路電流。繞組L1和L2可采用空心電抗器的耦合形式，也可采用鐵心耦合方式。

在電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)時，反并聯(lián)晶閘管G處于關(guān)斷狀態(tài)，考慮到繞組L2的分流作用，電容器C與繞組L2的并聯(lián)回路與限流電抗器L形成串聯(lián)諧振，且諧振與工頻。繞組 L1和 L2自感和漏感分別表示為Lp和Lq，其諧振關(guān)系表示為

式中C——電容；

ω——電網(wǎng)的角頻率。

為了實(shí)現(xiàn)串聯(lián)諧振并避免并聯(lián)諧振的產(chǎn)生，通常限定

當(dāng)采用鐵心耦合時，繞組的自感較大，即Lp>>L，式（2）的諧振關(guān)系為

在此過程中，隨著避雷器MOV1和反并聯(lián)晶閘管G的導(dǎo)通，繞組L1的電流增大，繞組L2的電流逐漸減小，最后二者達(dá)到相等。由于繞組 L1和L2磁通方向相反，導(dǎo)致雙分裂電抗器M的電感達(dá)到最小值，即僅為繞組的漏感。較小的漏感與電容器C并聯(lián)，相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了電容器的短路（或旁路）操作。此時，限流器的輸出限流阻抗為

當(dāng)漏感Lq較小時，限流阻抗近似為

由于電容器的旁路操作存在較高的放電電流和沖擊電壓，通過把雙分裂電抗器引入串聯(lián)諧振型限流器，雙分裂電抗器的兩個繞組的電流變化，導(dǎo)致磁通的變化，達(dá)到了快速短路電容器的作用。同時，漏感的存在，在一定程度上，限制了電容器短路過程中引起的過電流，提高了限流器的故障響應(yīng)速度和可靠性。

3 雙分裂電抗器的作用分析

雙分裂電抗器的參數(shù)選擇對改進(jìn)型 SRFCL的穩(wěn)態(tài)參數(shù)匹配和限流能力都有一定的影響。

3.1 雙分裂電抗器對諧振關(guān)系的影響

在電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中，繞組 L2與電容器并聯(lián)，對串聯(lián)諧振的匹配關(guān)系存在一定的影響。對式（2）改寫如下：

式中，k表示繞組自感Lp對諧振關(guān)系的影響程度，。

隨著自感Lp的增大，k值增加，對電容器取值影響減小。并且，0＜k＜1，k值減小時，電容值增大，電容器的容抗減小，導(dǎo)致電容器穩(wěn)態(tài)電流增加，如圖2所示。

圖2 限流電抗器與電容器的關(guān)系隨k值變化規(guī)律Fig.2 Relationship between limiting inductor and capacitor with variation ofk value

在電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)時，為了減小雙分裂電抗器繞組的載流和損耗，其繞組自感必然大于限流電抗器的電感，它們的比值（Lq/L）的不同，對限流電抗器電感和電容器電容值的選取，存在一定的影響，如圖3所示，可以看出，比值（Lq/L）對電容器取值的影響隨著限流電抗器電感的增大而減小。

圖3 限流電抗器與電容器的關(guān)系隨Lq/L的變化規(guī)律Fig.3 Relationship between limiting inductor and capacitor with variation ofLq/L value

3.2 雙分裂電抗器對電容器穩(wěn)態(tài)載流的影響

在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中，雙分裂電抗器的一個繞組L2和電容器C保持并聯(lián)關(guān)系，而且滿足式（3）的要求，使得電容器的電流為限流電抗器L和繞組L2的電流之和，即

并且，從并聯(lián)分流關(guān)系上看

可見，隨著電容和繞組電感的增加，電容器電流與繞組電流的比值增大，避免了電容器電流過大。

3.3 雙分裂電抗器漏感對限流能力的提升作用

由式（5）可知，雙分裂電抗器的繞組漏感存在對限流電感有一定提升作用，限流電感的相對增加量為

限流電感的相對增量 dZF，即增量與限流電抗器的比值。相對增量 dZF隨比值（Lq/L）的變化規(guī)律如圖4所示，可以看出：

（1）當(dāng)Lq/L＜2時，即雙分裂電抗器的兩個繞組并聯(lián)后，其漏感與電容器并聯(lián)，等效阻抗為電抗，限流阻抗的增量增大，能夠提高限流器的限流能力。

（2）當(dāng)Lq/L=2時，即兩個繞組的漏感并聯(lián)后等于限流電抗器電感時，雙分裂電抗器與電容器形成并聯(lián)諧振，會造成較大的環(huán)流，應(yīng)該避免。

（3）當(dāng)Lq/L＞2時，其漏抗與電容器并聯(lián)，等效阻抗為容抗，降低了限流器的限流阻抗，應(yīng)該避免。

綜合分析可知，在滿足雙分裂電抗器的兩個繞組的漏感Lq/L＜2的前提下，當(dāng)漏感增大時，限流阻抗的增量增大，限流器的限流能力更強(qiáng)。

圖4 限流電感的相對增量與雙分裂電抗器和限流電抗器比值的關(guān)系Fig.4 Relationship between impedance of SRFCL and the ratio ofLq/L

4 限流器限流特性分析

雙分裂電抗器和 MOV的引入，對改進(jìn)型SRFCL的限流特性及其限流過程中的可靠性有了很大的提高。按照圖1建立改進(jìn)型串聯(lián)諧振限流器的仿真模型，在 400V電壓、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流 20A、預(yù)期故障電流 400A的前提下，選取限流電抗器19.1mH、電容器電容 0.53mF和雙分裂電抗器自感200mH。分析雙分裂電抗器漏感和 MOV殘壓的取值大小對限流器性能的影響。在參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，進(jìn)行改進(jìn)型SRFCL與常規(guī)SRFCL的限流對比分析。

4.1 電容器電流特點(diǎn)分析

在故障限流過程中，雙分裂電抗器經(jīng)歷一個由高電抗（自感）到低電抗（漏感）的電抗變化過程，漏感的大小直接影響到起到電容器電流的大小，并且使電容器電流的振蕩頻率有較大的變化。圖5所示為Lq取值分別為0.5mH和8mH時，電容器電流的諧振情況。

圖5 電容器電流波形（限流過程中）Fig.5 Current waveforms of capacitor during fault

圖6 電容器電流波形（限流過程中）Fig.6 Relationship between frequency of capacitor current and leakage inductance of double-splitting reactor

圖6和圖7所示為電容器限流過程中沖擊電流峰值和頻率隨繞組漏感的變化規(guī)律。當(dāng)漏感為 2～3mH時，電容器電流出現(xiàn)了最小值。當(dāng)漏感小于2mH時，漏感減小，電流的振蕩頻率和幅值都大幅度增加；當(dāng)漏感大于3mH時，漏感越大，電流的振蕩頻率減小，而電流幅值都不斷增加。

圖7 電容器電流振蕩頻率隨漏感的變化規(guī)律（限流過程中）Fig.7 Relationship between frequency of capacitor current and leakage inductance of double-splitting reactor during fault

4.2 MOV1的過壓保護(hù)作用

MOV1與反并聯(lián)晶閘管并聯(lián)，起到過壓保護(hù)作用。MOV1也是連接在雙分裂電抗器的繞組 L1和電容器C之間，其電壓為二者電壓之差。按照式（3）的限定，不但繞組L2的電流遠(yuǎn)小于電容器C的電流，而且電壓的正負(fù)由電容器決定。同時，繞組L1和 L2的極性相反，反并聯(lián)晶閘管的電壓為電容器電壓的2倍。在電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，運(yùn)行電流20A，反并聯(lián)晶閘管的電壓峰值為339.2V?？紤]到電網(wǎng)電壓的波動等因素，MOV1的電壓應(yīng)該取電壓峰值的1.2倍以上，即407V。

圖8 線路和電容器電流隨MOV1的殘壓的變化規(guī)律（限流過程中）Fig.8 Variation of peak value of current of line and capacitor with residual voltage of MOV1 during fault

在MOV2殘壓不變的前提下，研究MOV1殘壓對限流效果的影響作用（見圖8）。在漏感為4mH，故障角90°時，隨著MOV1的殘壓逐漸減小，電容器電流峰值先增大而后減小，而線路電流峰值逐漸減小。因此，MOV1不但能夠有效控制反并聯(lián)晶閘管的電壓，而且對電容器和線路電流有一定調(diào)節(jié)作用。

4.3 MOV2的過壓保護(hù)作用

MOV2與電容器并聯(lián)，對電容器起過電壓保護(hù)作用。在電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，限流電抗器和電容器處于串聯(lián)諧振狀態(tài)，其穩(wěn)態(tài)電壓有效值為169.6V，考慮到電網(wǎng)電壓的波動等因素，MOV2的電壓應(yīng)該取電壓峰值的1.2倍以上，即204V。

在 MOV1殘壓不變的前提下，研究 MOV2殘壓對限流效果的影響作用（見圖9）。在漏感為4mH，故障角90°時，隨著MOV2的殘壓逐漸減小，電容器和線路電流峰值都逐漸減小。而且，當(dāng)MOV1較小時，電容器電流峰值低于線路電流峰值。

圖9 電網(wǎng)和電容器電流隨MOV2的殘壓的變化規(guī)律（限流過程中）Fig.9 Variation of peak value of current of line and capacitor with residual voltage of MOV2 during fault

4.4 諧振限流器的對比分析

在上述分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了改進(jìn)型串聯(lián)諧振型限流器的參數(shù)優(yōu)化（見下表）。雙分裂電抗器的繞組的自感和漏感分別為200mH和4mH，避雷器MOV1和MOV2的殘壓分別為500V和300V。

表 改進(jìn)型串聯(lián)諧振限流器參數(shù)設(shè)計(jì)Tab. Parameter designof improved SRFCL

依據(jù)此參數(shù)，把常規(guī)SRFCL和改進(jìn)型SRFCL分別應(yīng)用到 400V故障限流模型中，進(jìn)行限流仿真分析。線路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流20A，預(yù)期故障電流400A，SRFCL接入線路限流，如圖10所示，線路電流的最大峰值分別為125.9A和90A，故障電流縮減率分別為77.7%和84%，改進(jìn)型SRFCL的限流效果優(yōu)于常規(guī)SRFCL。

圖 11所示為電容器在過程中的電流波形而常規(guī)的沖擊達(dá)到1 500A以上，這種沖擊甚至可能造成電容器的損壞。而改進(jìn)的 SRFCL最大沖擊電流峰值僅為 100A，雙分裂電抗器的繞組的電感在此起到了抑制電流沖擊和實(shí)現(xiàn)電容器快速短路的作用，在故障初期，繞組 L2處于高阻狀態(tài)有利于抑制沖擊電流；當(dāng)晶閘管合閘后，繞組L1和L2的電流同時上升，雙分裂電抗器的電感迅速減小，并且，通過合理設(shè)置漏感，達(dá)到了有效控制電容器電流振蕩和過沖現(xiàn)象。

圖10 兩種限流下的電網(wǎng)電流波形對比Fig.10 Comparison of line current waveform when two type FCL caused respectively

圖11 兩種限流下的電容器電流波形對比Fig.11 Comparison of capacitor current waveform when two type FCL sused respectively

5 樣機(jī)研制和電抗器電磁場分析

按照表1所示的參數(shù)，進(jìn)行了400V單相改進(jìn)型SRFCL的樣機(jī)制作，如圖12所示，限流器機(jī)柜的下部為雙分裂電抗器，中部為電容器、MOV和反并聯(lián)晶閘管等，上部為系統(tǒng)的檢測和控制裝置，限流電抗器置于柜體的外部，從而減小其對系統(tǒng)的影響。限流電抗器采用了兩個相互耦合的空心繞組，通過調(diào)節(jié)繞組間的距離來改變其電感，從而達(dá)到與電容器實(shí)現(xiàn)諧振。限流電抗器的兩個繞組的高度為297mm，內(nèi)徑 600mm，外徑 960mm，最高沖擊端電壓 800V（峰值），動穩(wěn)定電流150A（峰值），熱穩(wěn)定電流80A。圖13所示為限流電抗器限流過程中電磁場分布圖，故障電流80A時，其最大磁場達(dá)到203Gs。

圖12 改進(jìn)型串聯(lián)諧振型限流器樣機(jī)實(shí)物圖（單相）Fig.12 Photograph of improved SRFCL (single phase)

圖13 限流電抗器限流穩(wěn)態(tài)的磁場分布Fig.13 Magnetic field distribution of limiting reactor during fault

雙柱雙分裂電抗器由雙柱鐵心、左柱耦合線圈、右柱耦合線圈構(gòu)成。左右兩柱上的耦合線圈均由內(nèi)線圈和外線圈組成，內(nèi)外線圈匝數(shù)相同，繞向相反，其輸入端子和輸出端子分別位于線圈的上下兩側(cè)。雙柱雙分裂電抗器的兩支路電阻和電感完全對稱，從而保證了兩支路的電流分布均勻，并且在正常工作或者短路工作狀態(tài)對外都具有很小的漏磁，從而減小安裝空間。與單柱結(jié)構(gòu)的雙分裂電抗器相比，在快速合閘開關(guān)處于斷開狀態(tài)時，較高的斷口電壓為左右兩柱線圈共同承擔(dān)，而非單柱內(nèi)外線圈之間承擔(dān)，因此內(nèi)外線圈之間的絕緣距離可以減小，更有利于減小電抗器體積和漏抗。最大沖擊電壓600V（峰值），動穩(wěn)定電流 100A（峰值），熱穩(wěn)定電流50A；鐵心直徑Φ100mm，每柱一個1mm氣隙；線圈內(nèi)徑 120mm，線圈外徑 152mm；內(nèi)外繞組之間留有5mm氣隙；線圈高度172mm。

在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，雙分裂電抗器電感為200mH，其運(yùn)行電流僅為2A，損耗很低，基本可以忽略。在限流過程中，兩繞組之間的電流發(fā)生變化，導(dǎo)致磁通的變化，使得雙分裂電抗器經(jīng)歷一個由大電感到小電感的變化過程，有效地抑制了電流和電流變化率的變化，從而減小了限流過程的過壓和電流應(yīng)力問題。兩個繞組電流瞬時值達(dá)到88A，限流穩(wěn)態(tài)值在40A左右，其最大磁場達(dá)到0.3T，如圖14所示。

圖14 雙分裂鐵心電抗器限流穩(wěn)態(tài)的磁場分布Fig.14 Magnetic field distribution of double-splitting reactor during fault

6 實(shí)驗(yàn)研究

在線路電源電壓為 400V時，進(jìn)行了改進(jìn)型SRFCL的限流測試。測試電路如圖15所示，Z0為線路等效阻抗，大小為1Ω，阻抗Z1和Z2與故障觸發(fā)裝置配合，實(shí)現(xiàn)不同故障電流等級、不同故障時間的短路故障，最大故障電流400A。樣機(jī)的參數(shù)見上表。

圖15 串聯(lián)諧振限流器測試電路Fig.15 Test circuit of improved series-resonant type fault current limiter

在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流為20A的前提下，設(shè)置故障電流判定閾值（峰值）為40A，故障電流有效值變化率的故障判定閾值為1.5A/ms。改進(jìn)型SRFCL的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖16和圖17所示，在初始故障角為90°（故障電流直流分量最?。┖?°（故障電流直流分量最大）均能有效限制故障電流，故障電流峰值分別為 91.1A和 112A，故障電流縮減率分別達(dá)到83.9%和91.5%。雙分裂電抗器的兩個繞組和電容器的第一沖擊峰值達(dá)到 100A左右，并且實(shí)現(xiàn)了電容器電流的快速衰減，避免了過流對電容器的影響。

圖16 故障限流波形（初始故障角90°）Fig.16 Fault current waveforms limited by improved SRFCL (initial fault angle is 90°)

圖17 故障限流波形（初始故障角0°）Fig.17 Fault current waveforms limited by improved SRFCL (initial fault angle is 0°)

在不同故障電流等級下進(jìn)行了試驗(yàn)測試，預(yù)期故障電流分別為 80A、120A、…、360A、400A，線路電流的測試結(jié)果如圖 18所示。隨著預(yù)期故障電流從80A增加到400A，故障電流縮減率由44%增大到 83.9%，說明了隨著故障電流等級的提高，改進(jìn)型SRFCL的限流能力不斷增大，能夠把線路電流限制在91.1A之內(nèi)。

圖18 不同故障電流等級下的故障限流分析Fig.18 Analysis of Line current limited by improved SRFCL at different fault current levels

7 結(jié)論

本文通過引入雙分裂電抗器，對串聯(lián)諧振型限流器拓?fù)溥M(jìn)行了改進(jìn)，提高了限流器的限流能力和可靠性。研究表明：雙分裂電抗器由穩(wěn)態(tài)時的大電感（自感）向限流過程的小電感（漏感）的轉(zhuǎn)變，能夠快速實(shí)現(xiàn)電容器的旁路（或短路）操作，有效抑制電容器過流沖擊，可靠實(shí)現(xiàn)限流器的故障限流操作。雙分裂電抗器的漏感的存在，不但可以提高限流器的限流能力，而且可以調(diào)節(jié)電容器沖擊電流的頻率和幅值，提高電容器的可靠性。雙分裂電抗器的自感和漏感以及避雷器（MOV1和MOV2）殘壓等參數(shù)的調(diào)整不但可以有效控制限流器件的電壓，而且可以實(shí)現(xiàn)對限流器的限流能力和電容器的過流的有效控制。該研究工作，對串聯(lián)諧振型限流器的電網(wǎng)應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。

致謝：感謝丹東欣泰電氣科技有限公司遲慶陽、鞏志強(qiáng)、蘇德深、李佳玉、張雅莉等研究人員和中國科學(xué)院應(yīng)用超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室馬韜、靖立偉等研究人員在雙分裂鐵心電抗器研制和試驗(yàn)中的大力支持，在此向他們表示衷心的感謝。

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