唐 震，郭 垚，劉澤宇

（1.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原030001；2.山西大學(xué)，山西太原 030013）

0 引言

隨著負(fù)荷需求的快速增加，電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，并不斷向特高壓、大容量、大規(guī)模和大電網(wǎng)互聯(lián)方向發(fā)展，必然導(dǎo)致輸配電系統(tǒng)整體短路電流水平不斷提高。這不僅對電網(wǎng)斷路器的開斷能力是一個嚴(yán)峻的考驗，同時短路電流對變壓器等設(shè)備的損害也是必須予以考慮的問題。對于斷路器、變壓器等設(shè)備，短路電流限制器就是解決短路電流過大的有效途徑之一[1-4]。本文主要探討短路電流限制器對變壓器保護(hù)的影響。

1 國內(nèi)外短路電流限制器的研究概況

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性需要進(jìn)一步提高限制短路電流的水平，如果斷路器不能快速有效地開斷過大的短路電流，將對電力系統(tǒng)中用電設(shè)備造成極大的損壞。如果僅僅依靠提高電氣設(shè)備承受短路電流的能力，顯然在經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)方面都不是一個很好的解決方案，因而必須采取有效措施來限制電力系統(tǒng)短路電流快速增長的問題[5]。

1.1 國內(nèi)短路電流限制器研究概況

隨著短路電流限制器日益受到重視，國內(nèi)很多單位投入到其研究與應(yīng)用中。2007 年，天津機(jī)電工業(yè)控股集團(tuán)公司等單位聯(lián)合研制的35 kV 超導(dǎo)磁飽和型限制器在云南省普吉變電站正式掛網(wǎng)試運(yùn)行[6]；陜西電力科學(xué)研究院研發(fā)的DXK1 系列產(chǎn)品在多方面已經(jīng)達(dá)到甚至超過國外產(chǎn)品的水平[7]；上海交通大學(xué)在磁控開關(guān)型故障限制器領(lǐng)域開展大量研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)了適用于中高壓電網(wǎng)領(lǐng)域的一種磁控開關(guān)型故障限制器，并在試驗室完成了故障限制器樣機(jī)的研制[8]；華中科技大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)分別在串聯(lián)補(bǔ)償裝置基礎(chǔ)上開展了具有串聯(lián)補(bǔ)償作用的限制器仿真研究工作[9]。

1.2 國外短路電流限制器研究概況 [10]

20 世紀(jì)90 年代，美國電力科學(xué)研究院在電力系統(tǒng)固態(tài)限制器方面的研究進(jìn)展迅速，1993 年初，Mort Monmouth 的Army Power Center 的4.6 kV 交流饋電線路上安裝了1 臺由反并聯(lián)可關(guān)斷晶閘管GTO（gate turn-off thyristor）構(gòu)成的固態(tài)斷路器，在短路故障發(fā)生0.3 ms 內(nèi)切斷故障；在超導(dǎo)故障限制器工程應(yīng)用方面，美國的Lockheedmartin 公司、General Atomics 公司分別于1995 年、1999 年研制了2.4 kV/80 A 和15 kV/20 kA 的橋路型超導(dǎo)限制器；在混合型限制器方面，日本關(guān)西電力公司與富士電機(jī)聯(lián)合開發(fā)了400 V 由真空開關(guān)和GTO 并聯(lián)構(gòu)成的配電用混合式限流分?jǐn)嘌b置；2008 年，由ABB 公司向上海寶鋼股份有限公司供應(yīng)的12 kV Is-快速限制器（Is-Limiter），可保證在1 ms 內(nèi)快速開斷，使短路電流在發(fā)生瞬間就開斷。

近年來，世界各國的工程技術(shù)人員一方面繼續(xù)完善固態(tài)限制器的性能并使其能夠滿足現(xiàn)場運(yùn)行要求，同時積極促進(jìn)商業(yè)化、實用化；另一方面，積極探索多功能限制器的研究，主要集中在串聯(lián)無功補(bǔ)償和限流的功能組合領(lǐng)域。

2 短路電流限制器仿真分析

基于爆破切割技術(shù)的短路電流限制器[11]（以下簡稱“短路電流限制器”）分為觸頭型和無觸頭型兩類。本文所研究的短路電流限制器屬于無觸頭型產(chǎn)品，其原理是在開關(guān)導(dǎo)流排或管的薄弱環(huán)節(jié)——斷口下放置微型炸藥，短路時引爆炸藥將斷口炸斷，高速切斷電流通路，開斷時間一般可達(dá)1 ms 數(shù)量級，因其工作可靠，在國外已得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)生產(chǎn)廠家在總結(jié)國外研制、生產(chǎn)和運(yùn)行經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，立足國內(nèi)實際和技術(shù)水平，自主研發(fā)了基于爆破切割技術(shù)的短路電流限制器，目前在電力系統(tǒng)中已得到廣泛的應(yīng)用，并已取得了良好的效果。

2.1 短路電流限制器原理

短路電流限制器由快速隔離器、高壓熔斷器、控制器、導(dǎo)線、電流測量傳感器（羅氏線圈）以及附屬組件等構(gòu)成，正常運(yùn)行時，電流流過導(dǎo)線、電流測量傳感器和快速隔離器；發(fā)生短路故障時，電流測量傳感器將短路電流信號送至控制器，控制器對信號進(jìn)行分析處理。若短路電流超過整定值，控制器將輸出觸發(fā)信號脈沖，使爆破切割系統(tǒng)快速隔離器在幾百微秒內(nèi)高速斷開，將短路電流全部轉(zhuǎn)移到高壓過限流熔斷器，熔斷器熔斷后，實現(xiàn)短路電流開斷，完成故障切除。

短路電流限制器可在短路電流尚未到達(dá)峰值前將其快速斷開，即短路電流在第一個半波被限制到預(yù)期短路電流峰值的15%～50%，整個斷開時間小于10 ms，極大地降低了故障電流總能量，使電力設(shè)備得到有效地保護(hù)，降低了短路電流對其的損壞程度。

2.2 短路電流限制器仿真研究

2.2.1 高壓限流熔斷器的建模

高壓限流熔斷器是開斷故障電流的最后環(huán)節(jié)，其動作特性直接關(guān)系到短路電流限制器的性能。熔斷器切斷短路電流的暫態(tài)過程實質(zhì)上是熔體從溫升到燃弧再到熄弧的復(fù)雜電弧過程。文獻(xiàn)[12]借助有限元分析軟件ANSYS 對熔斷器熔斷過程進(jìn)行仿真模擬，得到了熔斷器的弧前時間—電流特性以及熔斷過程中熔斷器等效電阻的非線性時變曲線（如圖1所示的“原始曲線”）。本文采用線性電阻插值的方法建立高壓限流熔斷器仿真模型，這種方法的基本思路是按照特性曲線不同時刻的電阻值控制電阻接入，模擬的特性曲線如圖1 所示的“本文曲線”。

圖1 熔斷器非線性特性曲線

2.2.2 控制器邏輯

短路電流一般具有幅值大、變化快的特性，因此短路電流限制器的控制器中設(shè)置了電流瞬時值i和電流瞬時變化率di/dt 兩個定值。只有當(dāng)兩個判據(jù)同時大于設(shè)定值時才輸出動作信號，從而在保證可靠性的同時增強(qiáng)了抗干擾能力，保證了短路電流限制器的有效快速動作。

2.2.3 短路電流及限制措施仿真

為了掌握各種措施對變壓器低壓側(cè)短路電流的限制效果，本文基于PSCAD/EMTDC 電磁暫態(tài)仿真程序建立的230/115/37 kV 三相三卷變壓器低壓側(cè)故障仿真模型如圖2 所示。仿真系統(tǒng)參數(shù)如下：等值阻抗0.3 Ω；變壓器Y0-Y0-Δ，150 MVA，230/115/37 kV；110 kV 系統(tǒng)負(fù)荷P1+jQ1=100+j30，35 kV系統(tǒng)負(fù)荷P2+jQ2=j30+j6。故障點設(shè)置在變壓器低壓側(cè)（35 kV 側(cè)），故障時刻3.0 s，故障時間0.1 s，下同。

a）無短路電流限制措施故障仿真。變壓器低壓側(cè)無短路電流限制措施時，在變壓器35 kV 側(cè)模擬三相短路，仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖2 短路電流限制器仿真系統(tǒng)

圖3 無短路電流限制措施的三相短路故障

從圖3 可以看出，變壓器35 kV 側(cè)三相短路時，流過35 kV 斷路器的電流峰值已達(dá)到61.69 kA，當(dāng)斷路器額定遮斷電流為20 kA 時，此時短路電流已超過了斷路器的正常開斷范圍，因此必須采取措施進(jìn)行限制。

b） 電抗器限制短路電流。為了限制變壓器35 kV 側(cè)的短路電流，首先采用串聯(lián)電抗器的方法進(jìn)行短路電流限制，一般情況電抗器的取值范圍為0.15～0.9 Ω，這里選定電抗器阻抗值0.5 Ω。下面對采用電抗器限制措施以及采用電抗器后的電壓降低程度進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4 所示。仿真系統(tǒng)參數(shù)同上。

圖4 采用限流電抗器限制短路電流的仿真結(jié)果

從圖4 可以看出，在35 kV 側(cè)三相短路故障時，采用串聯(lián)電抗器的方法可以將短路電流限制到40.1 kA，電抗器前后的電壓有效值分別為21.24 kV和21.22 kV（壓降為0.02 kV，小于5%）。這說明采用串聯(lián)電抗器可以限制短路電流且效果明顯。但由于電抗器在運(yùn)行時一直串聯(lián)在供電回路中，這樣勢必造成很大的損耗。

c）短路電流限制器開斷短路電流。按照短路電流限制器的基本原理建立PSCAD/EMTDC 仿真模型，將其串接變壓器低壓側(cè)。為了驗證模型的有效性，下面基于所建模型，開展短路電流限制器故障方式的仿真分析。短路電流限制器啟動定值設(shè)置為：瞬時值取7.0 kA，變化量取10 kA/s。變壓器低壓側(cè)三相短路仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5 短路電流限制器三相短路故障仿真結(jié)果

由圖5 可知，變壓器35 kV 母線出線處3.0 s三相短路故障時，采用短路電流限制器在3.007 5 s時將短路電流開斷，整個開斷過程7.5 ms，說明采用短路電流限制器能夠快速開斷故障。

d）短路電流限制器旁路限流電抗器。變壓器低壓出口的限流電抗器唯一的用途就是限制系統(tǒng)的短路電流。如在限流電抗器兩端并聯(lián)1 臺短路電流限制器，正常運(yùn)行時，負(fù)荷電流幾乎全部流過短路電流限制器；當(dāng)母線或出線發(fā)生兩相或三相短路時，短路電流限制器快速開斷使電抗器投入，起到限制短路電流的作用。

短路電流限制器的具體作用如下：一是節(jié)能降耗，采用短路電流限制器將電抗器旁路后具有顯著的節(jié)能降耗作用。二是消除無功損耗，電抗器存在巨大的無功損耗，影響變電站帶負(fù)荷的能力，采用短路電流限制器后徹底消除限流電抗器的無功損耗，起到了降低線損、改善系統(tǒng)功率因數(shù)的作用。三是提高供電質(zhì)量，電抗器一般會使母線電壓降低3%～8%，若遇到大型感性負(fù)載（如大容量電動機(jī)等）投入，電壓降則更大。裝設(shè)短路電流限制器后，將使電壓質(zhì)量得到提高。四是消除干擾，消除了電抗器磁場及噪聲對環(huán)境和設(shè)備的干擾，以滿足國家有關(guān)電磁場干擾強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)要求。

當(dāng)35 kV 側(cè)3.0 s 時刻發(fā)生三相短路時，限制器投入使用，將短路電流限制在10 kA 以內(nèi)。10 ms 時間之內(nèi)短路電流限制器的高壓限流熔斷器斷開，限流電抗器投入運(yùn)行。仿真結(jié)果如圖6 所示。

圖6 限制器旁路電抗器的仿真結(jié)果

從圖6 可以看出，正常運(yùn)行時電流全部流過限制器，在變壓器35 kV 側(cè)三相短路時，短路電流限制器在7.3 ms 時將短路電流轉(zhuǎn)移到限流電抗器上。這樣既能在正常運(yùn)行時減少電抗器的損耗，又可以在故障時將電流全部轉(zhuǎn)移到限流電抗器上，達(dá)到限制短路電流和節(jié)能降耗的目的，長期運(yùn)行將節(jié)省大量資金。

3 短路電流限制器對變壓器保護(hù)的影響

電力系統(tǒng)中的繼電保護(hù)裝置，不間斷地監(jiān)視各種電氣設(shè)備（發(fā)電機(jī)、變壓器、母線與線路等）的運(yùn)行狀況并貫穿從發(fā)電、輸電直至配電和用電的整個過程，以保證最大限度地連續(xù)供電和最小的故障損失。短路電流限制器作為一種新型保護(hù)設(shè)備已得到普遍應(yīng)用。由于短路電流限制器主要是應(yīng)用在變壓器低壓出口處，其接入低壓側(cè)，改變了系統(tǒng)阻抗，進(jìn)而引起了電氣量的變化，故下面以此為例來分析短路電流限制器對繼電保護(hù)的影響。

3.1 變壓器保護(hù)典型配置

3.1.1 主保護(hù)

配置兩種不同原理的變壓器差動保護(hù)以及本體非電量保護(hù)。

3.1.2 高壓側(cè)及中壓側(cè)后備保護(hù)

a）帶偏移特性的阻抗保護(hù)。指向變壓器的阻抗不伸出中壓側(cè)母線，作為變壓器部分繞組故障的后備保護(hù)，指向母線的阻抗作為本側(cè)母線故障的后備保護(hù)。

b）過電流保護(hù)。復(fù)合電壓啟動的過電流保護(hù)或復(fù)合電流保護(hù)，延時跳開變壓器各側(cè)斷路器。

c）零序電流保護(hù)。保護(hù)分兩段式，一段帶方向，方向指向母線，延時跳開本側(cè)斷路器；另一段不帶方向，延時跳開變壓器各側(cè)斷路器。

d）過負(fù)荷保護(hù)，延時動作于信號。

3.1.3 低壓側(cè)后備保護(hù)

低壓側(cè)后備保護(hù)有以下2 種：過流保護(hù)，延時跳開本側(cè)斷路器；復(fù)壓閉鎖過流保護(hù)，設(shè)置一段兩時限，第一時限跳開本側(cè)斷路器，第二時限跳開變壓器各側(cè)斷路器。

3.1.4 變壓器相間短路后備保護(hù)的配置

《繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》（GB/T 14285—2006）第4.3.5 條規(guī)定：變壓器的相間短路后備保護(hù)，宜選用過電流保護(hù)、復(fù)合電壓（負(fù)序電壓和線電壓）啟動的過電流保護(hù)或復(fù)合電流保護(hù)（負(fù)序電流和單相式電壓啟動的過流保護(hù)）[13]。

3.2 短路電流限制器接入對繼電保護(hù)的影響

目前短路電流限制器應(yīng)用于電力系統(tǒng)最常見的兩種情況是單獨應(yīng)用和旁路限流電抗器，下文將分兩種情況對其進(jìn)行分析。

3.2.1 單獨應(yīng)用短路電流限制器對繼電保護(hù)的影響

單獨應(yīng)用短路電流限制器時，當(dāng)35 kV 側(cè)出口發(fā)生短路故障后，變壓器的主保護(hù)啟動；當(dāng)短路電流幅值大小與電流變化率滿足短路電流限制器的整定值時，短路電流限制器的控制器直接發(fā)出命令，限制器進(jìn)入斷開電路階段，限制器在10 ms 內(nèi)將完全斷開，進(jìn)而切除故障。由220 kV 變壓器保護(hù)配置可知，短路電流限制器斷開后，還沒有達(dá)到變壓器主保護(hù)的動作時間（15～30 ms），變壓器的主保護(hù)還未發(fā)出動作命令就已經(jīng)閉鎖。當(dāng)短路電流幅值大小與電流變化率未滿足限制器動作條件時，短路電流限制器將保持在正常工作狀態(tài)，此時故障將由主變壓器的主保護(hù)來切除，或者在主保護(hù)拒動時由后備保護(hù)來實現(xiàn)切除。因此，單獨安裝短路電流限制器對變壓器的主保護(hù)與過電流保護(hù)不產(chǎn)生任何影響。

3.2.2 短路電流限制器旁路限流電抗器對繼電保護(hù)的影響

a） 電流保護(hù)。由于短路電流限制器旁路限流電抗器接入屬于阻抗性質(zhì)，所以主要影響變壓器的電流保護(hù)，以下將從變壓器電流保護(hù)的靈敏度指標(biāo)來分析其影響。

第一，過電流保護(hù)的動作電流計算。低壓側(cè)過流保護(hù)的動作電流應(yīng)按低壓側(cè)額定電流整定，計算公式如式（1）所示

其中，Krel為可靠系數(shù)，取1.2～1.3；Kr為返回系數(shù)，取0.85～0.95；Ie為變壓器35 kV 側(cè)額定電流。

第二，靈敏度校驗。靈敏度校驗的計算公式如式（2）所示

b） 短路電流限制器旁路限流電抗器對繼電保護(hù)的影響。當(dāng)35 kV 側(cè)發(fā)生短路故障時，短路電流限制器在10 ms 內(nèi)將短路電流開斷，同時投入與之相并聯(lián)的限流電抗器。經(jīng)過對220 kV 主變保護(hù)典型配置分析可知，短路電流限制器在斷開后，還沒有達(dá)到主保護(hù)的動作時間（15～30 ms），所以完全可以按照變壓器低壓側(cè)加電抗器的保護(hù)配置方案進(jìn)行分析。

首先，短路電流限制器旁路限流電抗器對變壓器主保護(hù)的影響。因為限流電抗器的電阻一般為0.15～0.9 Ω，所以對變壓器主保護(hù)差動保護(hù)靈敏度影響不大，在允許范圍內(nèi)。對變壓器差動保護(hù)進(jìn)行仿真（仿真模型圖及低壓側(cè)區(qū)內(nèi)三相短路、W-U 相間和V-W 相間接地故障差動保護(hù)仿真結(jié)果圖略），由仿真結(jié)果可以看出，在低壓側(cè)保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生三相短路、相間短路和相間接地故障情況下，短路電流限制器在10 ms 內(nèi)正確投入，將短路電流轉(zhuǎn)移到限流電抗器，隨后變壓器差動保護(hù)正確動作。由此可以得出短路電流限制器旁路電抗器對變壓器差動保護(hù)沒有影響。

其次，短路電流限制器旁路限流電抗器對變壓器后備保護(hù)的影響。由《繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》可知，變壓器各側(cè)都裝設(shè)了相間短路的后備保護(hù)且具有一定的延時（0.3～0.5 s）。當(dāng)變壓器低壓側(cè)僅安裝短路電流限制器時，在低壓側(cè)發(fā)生短路故障時，由于短路電流限制器的快速開斷使得本側(cè)的后備保護(hù)還未啟動短路電流就變?yōu)榱?。?dāng)變壓器低壓側(cè)安裝短路電流限制器旁路限流電抗器時，在低壓側(cè)發(fā)生短路故障時，由于短路電流限制器將短路電流轉(zhuǎn)移到限流電抗器，因此在整定低壓側(cè)過流保護(hù)時可按僅安裝限流電抗器整定。

由于變壓器中壓側(cè)的阻抗比較小，甚至為負(fù)值，所以高、中壓側(cè)的過流保護(hù)一般都能起到互為后備的作用；但因低壓側(cè)的阻抗較大（高阻抗變壓器或普通變壓器加裝限流電抗器后），發(fā)生短路時，高、中壓側(cè)的后備保護(hù)對低壓側(cè)故障難以滿足靈敏度的要求。

4 結(jié)論

本文基于PSCAD/EMTDC 電磁暫態(tài)仿真程序建立了短路電流限制器仿真模型，通過短路電流限制器各種安裝方式的仿真分析，得出如下結(jié)論。

a）以線性電阻插值法能夠正確模擬高壓限流熔斷器的非線性熔斷特性，在各種故障仿真中驗證了模型的有效性。短路電流限制器作為限制系統(tǒng)短路電流保護(hù)主設(shè)備的一種裝置，可應(yīng)用于開斷短路電流、旁路限流電抗器等多種場合。從仿真結(jié)果來看，其效果較為理想，特別是對于短路電流水平較高的變電站，加裝短路電流限制器是一個較為理想的選擇。

b）變壓器低壓側(cè)只安裝短路電流限制器時，由于短路電流限制器可以在發(fā)生故障的10 ms 內(nèi)快速切斷故障，變壓器的差動、過流等保護(hù)裝置還未啟動短路電流就變?yōu)榱悖蕦Σ顒颖Ｗo(hù)和過流等保護(hù)裝置的正確動作無任何影響。

c）變壓器低壓側(cè)短路電流限制器旁路電抗器時，由于限制器在故障的10 ms 內(nèi)快速將短路電流轉(zhuǎn)移到限流電抗器，此時短路電流大幅降低，導(dǎo)致變壓器后備保護(hù)的靈敏度難以滿足要求，特別是高、中壓側(cè)后備保護(hù)對低壓側(cè)故障的靈敏度。短路電流限制器旁路電抗器對變壓器差動保護(hù)沒有影響。