CN103490395B - 利用双芯可控移相器限制线路短路电流的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用移相器限制线路短路电流的方法，当系统正常运行时，双芯可控移相器的并联变压器ET副边绕组的匝数由电力电子开关来调整，使得并联变压器ET副边绕组实现不同的连接组态；当双芯可控移相器所在线路或临近线路发生对称或不对称短路故障时，继电保护装置向高压断路器发出分闸命令的同时向双芯可控移相器发出控制命令，电力电子开关快速将双芯可控移相器的并联变压器ET和串联变压器BT的副边绕组开路，则高压断路器动静触头分离之前，双芯可控移相器的并联变压器ET和串联变压器BT的副边绕组就已经开路；能够在高压断路器的固有分闸时间内，使得当高压断路器灭弧室内开始燃弧时，线路短路电流已经被限制到较低的水平，有效降低高压断路器的重燃或重击穿概率。

Description

利用双芯可控移相器限制线路短路电流的方法

技术领域

本发明涉及电力系统限制线路短路电流技术领域，具体涉及一种利用双芯可控移相器限制线路短路电流的方法。

背景技术

由于社会生活和经济发展对电能的需求不断增加，电力系统的电源总容量日益增大，同时电网的密集程度日益增高，这两个基本原因造成了系统中短路电流水平不断攀升。

在这样的背景下，当电力系统遇到元件损坏、气象条件恶化、违规操作等情况产生短路故障时，短路电流水平会超过线路上断路器的遮断容量，造成故障无法正常切除，引起更严重的系统故障，甚至引发解列。因而短路电流水平上升已成为电力系统规划、设计、运行面临的重大问题，采取合理措施对其进行抑制的需求是十分迫切的。当短路电流超过现有断路器遮断容量时，现在有两种方法应对：一是采取更换大容量断路器，但牵涉到设备制造能力、基础、辅件的动热稳定承受能力以及通讯干扰等问题，需要综合考虑，太大的断路器设备遮断容量是不经济的；二是将电网规划设计、系统运行方式、电器设备制造和安装相结合来综合研究，具体有1.低压电网分片运行；2.电压等级协调发展；3.多母线分列运行或母线分段运行；4.解列电网；5.采用直流送电技术(背靠背BTB)；6.高阻抗设备的采用；7.限流电抗器的采用；8.变压器经小电抗接地；9.采用微机保护及综合自动化装置；10.短路电流限制器等。

目前已经提出的短路电流限制器种类很多，根据其关键技术特点可分为：

1.驱动型限流器。

包括

(1).驱动型限流器；

(2).电磁驱动型限流器；

(3).熔断器驱动型限流器；

(4).电弧驱动型限流器。

2.材料型限流器。

包括

(1).超导型限流器

(2).PTC材料型限流器。

3.静止型限流器。

包括

(1).并联谐振型；

(2).串联谐振(补偿)型限流器；

(3).整流型限流器

(4).基于FACTS技术的限流器。

基于FACTS技术的限流器包括：

1.晶闸管控制的串联补偿(TCSC)

2.晶闸管控制的移相器(TCPST)

3.相间功率控制器(IPC)

4.静止同步串联补偿(SSSC)

5.统一潮流控制器(UPFC)

近三十年来，随着电力电子技术的发展，对于可控移相器（TyristerControlledPhaseShiftingTransformer-TCPST）的研究逐渐深入。上世纪九十年代美国在Liberty变电所的改造工程和美加联络线已有TCPST的实际工程，TCPST在电力系统中的应用前景十分广阔。晶闸管可控移相器不仅可以在稳态情况下控制线路潮流，缓解线路过载，减小电网环流，降低系统网损；还可以提高电力系统在故障情况下的暂态稳定性，阻尼区域间低频功率振荡，抑制电气与机械系统之间的次同步谐振等。

当系统为了稳态潮流控制的基本目标安装了TCPST时，除了还可以有上述的应用以外，本发明提出了一种在系统发生输电线路短路故障期间利用TCPST快速、大幅度限制短路电流的方法。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种利用双芯可控移相器限制线路短路电流的方法，能够在高压断路器的固有分闸时间内，快速限制住短路电流的大小，使得当高压断路器灭弧室内开始燃弧时，线路短路电流已经被限制到较低的水平，有效降低高压断路器的重燃或重击穿概率。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用移相器限制线路短路电流的方法，当系统正常运行时，双芯可控移相器的并联变压器ET副边绕组的匝数由电力电子开关来调整，使得并联变压器ET副边绕组实现不同的连接组态；当双芯可控移相器所在线路或临近线路发生对称或不对称短路故障时，通过继电保护装置向高压断路器发出分闸命令的同时向双芯可控移相器发出控制命令，电力电子开关快速将双芯可控移相器的并联变压器ET和串联变压器BT的副边绕组开路，则高压断路器动静触头分离之前，双芯可控移相器的并联变压器ET和串联变压器BT的副边绕组就已经开路。

所述电力电子开关由一对反向并联的晶闸管组成。

所述继电保护装置对双芯可控移相器发出控制命令，指令双芯可控移相器停止所有晶闸管触发脉冲，快速将双芯可控移相器的并联变压器ET和串联变压器BT的副边绕组开路。

本发明在时序上利用机械高压断路器动静触头分离之前和双芯可控移相器电力电子开关的脉冲触发控制的时间差，快速控制双芯可控移相器的运行方式，能够在高压断路器的固有分闸时间内，快速限制住短路电流的大小，使得当高压断路器灭弧室内开始燃弧时，线路短路电流已经被限制到较低的水平，有效降低高压断路器的重燃或重击穿概率。本发明方法简单可行，能够快速、大幅度地抑制短路电流，为电力系统限制短路电流提供了一种十分有效的方法。可控移相器的主要用途是稳态潮流控制，本发明在移相器完成基本功能的基础上提供了有效的抑制短路电流的策略，因而不需要额外的建设投资，扩大了双芯可控移相器功能。抑制电力系统短路电流能够降低对电力设备的技术要求，从而降低设备造价。在极端情况下，电力系统可能由于短路电流超标而放弃更为安全、经济的网络拓扑运行方式。由于对短路电流快速有效的抑制，减小了高压断路器短路开断电流，提高了电力系统的安全性，降低了电力系统的建设成本、设备检修成本和运行成本，从而可产生巨大的经济效益。

附图说明

图1为双芯对称型可控移相器的电路图，其中：图1a为双芯对称型可控移相器的主电路拓扑图，图1b为双芯对称型可控移相器的并联变压器ET和晶闸管调压电路的连接电路图，图1c为晶闸管图。

图2为并联变压器ET输出不同电压档位时晶闸管的导通图，其中：图2a为组态0导通图，图2b为组态2导通图，图2c为组态3导通图，图2d为组态4导通图，图2e为组态5导通图，图2f为组态6导通图。

图3为串联变压器BT副边绕组开路时，双芯对称型可控移相器的等值电路图。

图4为高压断路器短路开断过程的时序示意图。

图5为双芯对称型可控移相器的正序等值电路。

图6为双芯对称型可控移相器的零序等值电路。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。

下面以双芯对称离散型移相器为例来进行说明，但本技术方案同样适用于其它双芯可控移相器。

如图1中图1a所示，为双芯对称型可控移相器的主电路拓扑图，在系统正常运行时，双芯对称型可控移相器的并联变压器ET副边绕组的匝数由电力电子开关来调整，每个电力电子开关都是由一对反向并联的晶闸管组成，通过调节各电力电子开关的开断，使得并联变压器ET的副边绕组实现不同的连接组态，如图2所示。不同组态会得到不同的并联变压器ET的副边输出电压，并联变压器连接组态及输出电压档位如下表1所示：

表1

不同的输出电压，会造成双芯对称型可控移相器两端不同的电压电流值相位差，即移相角不同，从而达到移相的目的。

在系统正常运行状态下，认为移相器三相参数对称，仅列出a相拓扑图如图3所示。

图中：Z_B1和Z_B2为双芯对称可控移相器串联变压器BT原边绕组等值阻抗；

Z_BM1和Z_BM2为双芯对称可控移相器串联变压器BT的等值激磁阻抗；

Z_B3为双芯对称可控移相器串联变压器副边绕组等值阻抗；

Z_E1为双芯对称可控移相器并联变压器ET原边绕组等值阻抗；

Z_T为双芯对称可控移相器并联变压器ET副边绕组等值阻抗；

Z_EM为双芯对称可控移相器并联变压器ET的等值激磁阻抗；

n_B和n_T分别为BT和ET的变比。

经推导，可以得到移相器等值阻抗为

$Z_{\mathrm{eq}}={2Z}_{B1}+\frac{12}{{\left(n_T{n}_B\right)}^2+3}(Z_{E1}+n_T^2{Z}_T+\frac{1}{3}{n}_T^2{Z}_{B3})$

系统正常运行时双芯可控移相器串联变压器BT副边禁止开路，以避免将大阻值的等值激磁阻抗Z_BM1、Z_BM2串入输电线路中。此时移相器的等值阻抗Z_eq数并不大，不妨碍输电线路的正常运行。

由图2和图3可见，当所有晶闸管停止触发时，双芯对称型可控移相器的并联变压器和串联变压器的副边绕组都是开路的。

当双芯可控移相器所在线路或临近线路发生对称或不对称短路故障时，继电保护装置向高压断路器发出分闸命令的同时向双芯可控移相器发出控制命令，指令双芯可控移相器停止所有晶闸管触发脉冲，从而快速将双芯可控移相器的并联变压器ET和串联变压器BT的副边绕组开路，则高压断路器动静触头分离之前，双芯可控移相器的并联变压器ET和串联变压器BT的副边绕组就已经开路。通过以下分析能够看到，通过本发明控制方法能够达到大幅度、快速抑制短路的效果。

当双芯可控移相器所在线路发生短路故障时，根据现行1987年水利电力部规划院、生产司和电科院联合颁布的《电力系统暂态稳定计算暂行规定》中的要求，继电保护装置的动作时间通常为30到80毫秒。如图4所示，继电保护动作时间t_j包括短路识别时间t_sh、保护整定计算时间t_jj和等待时间t_w，然后根据继电保护装置的判断结果对相应的高压断路器发出分闸命令。

根据国际电工委员会IEC62271-100《HighVoltageAlternatingCurrentCircuitBreakers》和中华人民共和国GB1984-2003《高压交流断路器》，如图4所示，为高压断路器动作过程时序图，高压断路器的短路开断时间包括两大部分：操动机构动静触头分离之前的固有分闸时间t₀和开断的燃弧时间t_a，这两段时间之后整个开断过程才结束。

在时序上本发明利用机械高压断路器动静触头分离之前和双芯可控移相器电力电子开关的脉冲触发控制的时间差，快速控制双芯可控移相器的运行方式，能够在高压断路器的固有分闸时间内，快速限制住短路电流的大小，使得当断路器灭弧室内开始燃弧时，线路短路电流已经被限制到较低的水平，有效降低高压断路器的重燃或重击穿概率。高压断路器接到分闸操作指令后但动静触头未分离前的t₀时间段内，可控移相器一旦收到继电保护的控制指令，立即停止所有电力电子开关的触发脉冲，经时间t_tz最长为10ms，即半个周波内过零时刻电力电子器件自然关断。而高压断路器的固有分闸时间，根据GB1984-2003中的定义“分闸脱扣器带电时刻到所有各极弧触头分离时刻的时间间隔”，即与高压断路器构成一个整体的任何辅助脱扣设备的动作时间，加上动触头未与静触头分离之前获得一定的初始分闸速度阶段的超行程时间；固有分闸时间是由制造厂商给定的，一般高压断路器制造厂列出的数据：如Siemens的3APlivetankcircuitbreaker不大于2个基波周期40ms，如平高LW6-550系列550kV高压交流断路器的分闸时间为28ms。因此，留给可控移相器进行电力电子开关状态调整的时间是足够的。因此，线路发生短路故障后，双芯可控移相器的电力电子器件的脉冲闭锁控制t_tz有足够时间来增加等值阻抗Z_eq阻值，这使得本发明所提出的新型控制方法将励磁阻抗Z_BM1、Z_BM2串联进线路中从而增大阻抗来抑制短路电流水平在工程实践上具有可行性。

下面结合附图对本发明的基本原理进行详细论证。

电力系统短路故障分为对称和非对称两大类。由工程上短路电流基波分量起始值的计算方法可知，抑制短路电流可以从增大故障期间的短路阻抗实现。为此，只要证明本发明提出的双芯可控移相器在故障期间快速转为串联变压器BT副边开路可使双芯可控移相器的等值阻抗大幅度增大即可。为此首先分析串联变压器BT副边开路时双芯可控移相器的正序电路。

当停止双芯可控移相器并联变压器ET副边绕组中电力电子开关的触发脉冲时，即闭锁所有的电力电子器件，由图3可见，这时并联变压器ET副边开路，即并联变压器ET空载运行。相对于负载运行而言，可以认为并联变压器ET原边绕组的空载电流同时，图3中串联变压器BT副边的a、b、c三个节点因为并联变压器ET开路而悬空。由于串联变压器BT副边绕组为三角形接法，因而其正序电流为零。因此，串联变压器BT副边绕组开路时，双芯可控移相器的正序等值电路为图5。图5中是流过双芯可控移相器的正序电流；Z_BM=Z_BM1+Z_BM2是串联变压器的激磁阻抗。由图5可见，当双芯可控移相器的串联变压器BT二次侧开路时，双芯可控移相器的正序等值阻抗为Z=Z_B1+Z_BM+Z_B2。由于串联变压器的激磁阻抗Z_BM1和Z_BM2数值很大，从而只有很小的正序电流能流过双芯可控移相器，双芯可控移相器所在线路几乎相当于断线。

对于串联变压器BT副边开路时双芯可控移相器的负序等值阻抗有与正序完全相同的分析方法和结果。以下分析零序等值阻抗。

当双芯可控移相器输入端注入电流时，由于并联变压器ET二次侧是开路的，所以并联变压器ET原边绕组的零序激磁电流可近似为零。与正序不同的仅仅是串联变压器BT原边（也即输电线路）的零序电流在三角形接法的串联变压器BT的副边感应的零序电流形成环流，即有

${\stackrel{\·}{I}}_{B3a}^{\left(0\right)}={\stackrel{\·}{I}}_{B3b}^{\left(0\right)}={\stackrel{\·}{I}}_{B3c}^{\left(0\right)}\≠0$

同时有感应电势

${\stackrel{\·}{U}}_{B3a}^{\left(0\right)}={\stackrel{\·}{U}}_{B3b}^{\left(0\right)}={\stackrel{\·}{U}}_{B3c}^{\left(0\right)}$

对串联变压器BT副边绕组形成的三角环使用基尔霍夫电压定律可以得到：

${\stackrel{\·}{U}}_{B3a}^0+{\stackrel{\·}{I}}_{B3a}^0{Z}_{B3}={\stackrel{\·}{U}}_{B3b}^0+{\stackrel{\·}{I}}_{B3b}^0{Z}_{B3}={\stackrel{\·}{U}}_{B3c}^0+{\stackrel{\·}{I}}_{B3c}^0{Z}_{B3}=0$

因而串联变压器BT的原边绕组是自身短路的。据上分析可得双芯可控移相器在串联变压器BT原边绕组对外电路开断时的零序等值电路为图6，图中Z_BM表达式与前面正序电路中相同。此时，当从图中a-b端口向串联变压器BT的副边看去，端口的等值阻抗为这相当于串联变压器BT的激磁阻抗Z_BM与一个大小为的阻抗并联。近似认为激磁阻抗无穷大时，S端和L端之间的等效阻抗 $Z_{\mathrm{eq}}={2Z}_{B1}+{4Z}_{B3}/n_B^2.$

由上分析可知，当双芯可控移相器所在线路或临近线路发生对称或不对称短路故障时，将双芯可控移相器的所有电力电子开关开断，即使并联变压器ET和串联变压器BT的副边绕组开路，由于激磁阻抗Z_BM，可以将输电线路上的短路电流限制在一个很小的范围内。

Claims (3)

1.一种利用双芯可控移相器限制线路短路电流的方法，其特征在于：当系统正常运行时，双芯可控移相器的并联变压器ET副边绕组的匝数由电力电子开关来调整，使得并联变压器ET副边绕组实现不同的连接组态；当双芯可控移相器所在线路或临近线路发生对称或不对称短路故障时，继电保护装置向高压断路器发出分闸命令的同时向双芯可控移相器发出控制命令，电力电子开关快速将双芯可控移相器的并联变压器ET和串联变压器BT的副边绕组开路，则在高压断路器动静触头分离之前，双芯可控移相器的并联变压器ET和串联变压器BT的副边绕组就已经开路。

2.根据权利要求1所述的一种利用双芯可控移相器限制线路短路电流的方法，其特征在于：所述电力电子开关由一对反向并联的晶闸管组成。

3.根据权利要求2所述的一种利用双芯可控移相器限制线路短路电流的方法，其特征在于：所述继电保护装置对双芯可控移相器发出控制命令，指令双芯可控移相器停止所有晶闸管触发脉冲，快速将双芯可控移相器的并联变压器ET和串联变压器BT的副边绕组开路。