谐振型限流器限流电抗快速接入控制策略_王华昕

第 39 卷 第 9 期 2011 年 9 月
Vol． 39 No． 9 Sept． 2011
谐振型限流器限流电抗快速接入控制策略
王华昕，赵永熹
（ 上海电力学院 电力自动化工程学院，上海 200090）
摘 要： 串联谐振型限流器是应用在 500kV 超高压电网的实用化限流器。谐振电容器快速旁路是实现限流 器的关键技术。限流电抗快速接入控制策略主要研究快速旁路器件动作时序配合和快速保护判据。快速旁 路电路采用多种旁路器件。在极短的时间内，动作时序要协调各个器件的配合，保证旁路电路快速性和可靠 性。依据限流器基本控制策略，设计旁路器件动作时序，对动作时序中的判据处理、器件换流等过程作了详细 分析。以华东电网限流器工程为研究背景，确定了阈值指标，该方案能保证限流器在出口短路故障发生后 5 ms 内动作。 关键词： 谐振型限流器； 控制策略； 动作时序； 保护判据 作者简介： 王华昕（ 1975-） ，男，博士，从事短路电流限制器研究。 中图分类号： TM47 文献标志码： A 文章编号： 1001-9529（ 2011） 09-1471-06 基金项目： 上海市教委重点学科建设项目（ J51301） ； 上海市优青基金项目（ sdl10014）
快速旁路电路采用 MOV、晶闸管阀、火花间 隙和快速开关等。
旁路器件工作特点如下： （ 1） MOV 装置在额 定电压下会迅速启动，将电容器限制在保护电压 范围内，能耐受大电流，但有大量能耗积累。
（ 2） 晶闸管阀触发由控制器决定，阀动作速 度在 μs 级。晶闸管阀热容量有限，不能长时间通 过大电流，需要快速开关切换大电流［13-15］。
（ 3） 火花间隙触发动作速度同晶闸管阀一 致，可以承受很高冲击电流，对击穿电压有要求。 间隙导通后电流不能自动熄弧，需要快速开关切 换。
（ 4） 快速开关耐压值在 50 kV 时，最快合闸 时间 2 ms，动作时间分散性在 5 ms，因此默认为 合闸时间为 10 ms。
图 1 限流器控制器示意图
考虑旁路电路可靠性和快速性，限流器基本 控制策略为： MOV 是限制电容器在短路及操作瞬 时过电压的第一道主保护； 晶闸管阀是限流电抗 接入及旁路电容器的主要手段，间隙作为旁路电 容器的后备措施； 在晶闸管阀正常动作情况下，间 隙不应动作； 无论是晶闸管阀还是间隙动作，均发 判据信号给快速开关，避免晶闸管阀和间隙长时 间通过大电流。
α———合闸相位角；
Im1 ———短路稳态电流。
从式（ 1） 可知，由于限流器含有电容支路，造
成短路电流中有衰减的余弦分量。
对图 2（ b） 动作过程进行放大可见图 3。图 3
中电压与电流共一张图，纵坐标数值相同，单位不
同。u 为电容器端口电压，us 为阀端电压，ic 为电
容器电流，iMOV为 MOV 电流，i 为短路电流。MOV
电流瞬时值、短路电流微分值等判据。其中短路 电流微分值最快。保护判据动作时序如图 4（ a） 所示。图 4 横纵坐标属性与图 2 一致。
采样 选 取 高 速 采 样 技 术，工 程 上 1 周 波 采 128 个点。由于微分判据在故障瞬间能突变，因 此微分判据时间 Δtp2 时间最短。微分 判 据 出 口
图 2 限流器动作波形图
槡 Im2
cos2 φD
+
（
ω0 ） ω
2 sin2 φDcos（
ω0 t
+
θ）
பைடு நூலகம்
e －βpt
（ 1）
式中 φ———故障阻抗角；
ω0 ———系统的自然谐振频率； βp ———阻尼衰减系数； θ———谐振电流阻抗角；
φd ———短路初始时刻相位角； Im sin（ ωt + α － β） ———原稳态电流值； φ———负载阻抗角；
1 概述
大负荷中心短路电流超标已经成为制约电网 发展的重要因素。安装故障限流器是最有效的措 施。串联谐振型限流器因原理简单、安全可靠、经 济合 理，成 为 应 用 于 超 高 压 电 网 的 实 用 化 限 流 器［1-8］。文献［9］对限流阻抗提出设计方法，并指 出谐振电容器的旁路电路动作速度决定了限流电 抗投入速度，此外旁路电路高速闭合对装置的绝 缘配合、过压保护、电路通流水平的降低都十分有 利。因此电容器快速旁路方法是限流器的关键技 术。
在［t0 ，t1］区间内，按照短路附加状 态 叠 加 法，故障电流为： i（ t） = Imsin（ ωt + α － φ） + Im1 sin（ ωt + φi ） +
王华昕，等 谐振型限流器限流电抗快速接入控制策略
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器电压被限制在 52 kV。
图 3 MOV 动作波形图
3． 3 保护判据动作 限流器保护判据采用 MOV 电流、能耗、短路
Abstract： Resonant Fault Current Limiter （ RFCL） has been practically applied to 500kV EHV network． Fast bypass of resonant capacitor is the key technology of RFCL． The control method for limiting reactance quick access focuses on the operational sequence and protection judgment of quick bypass components． Bypass circuit consists of various bypass components． Operational sequence，designed in accordance to the basic RFCL control method，should coordinate with all the components to ensure the high speed and reliability of bypass circuit． This paper makes detailed process analysis of the operational sequence，including judgment and current switching． Threshold value is confirmed in the background of China East FCL Project． The scheme guarantees that RFCL can take action in 5ms after fault at beginning of transmission line． Key words： resonant current limiter； control method； operational sequence； protection judgment Foundation items： Key Discipline Construction of Shanghai Municipal Commission of Education（ J51301）
Control Method for Limiting Reactance Quick Access to Resonant Fault Current Limiter
WANG Hua-xin，ZHAO Yong-xi （ School of Electric Power and Automation Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China）
该策略优点利用晶闸管快速性，避免了 MOV 能耗积累。若先触发快速开关，MOV 设计容量
可能大于 20 MJ。若先触发间隙，虽然晶闸管阀 和间隙动作时间一致，但间隙有最小击穿电压要 求。若采用间隙作主要器件，有延迟现象。延迟 现象即当保护判据出口时，间隙电压未到达动作 电压值，间隙延迟触发。而晶闸管阀端电压最小 要求 100 V。只要判据出口，晶闸管阀可以瞬间 触发。该控制策略对旁路器动作时序配合有苛刻 的要求。下面设计动作时序，并细致研究其暂态 过程。
3 动作时序
3． 1 基本动作时序 依据基本控制策略，动作时序如图 2 （ a） 所
示。图 2（ a） 中横坐标为时间轴，纵坐标为各变量 值。设 故 障 发 生 时 刻 为 t0 ，故 障 持 续 时 间 tfault 。 MOV 动作时刻为 t1 ，晶闸管阀闭合时刻为 t2 ，快 速开关闭合时刻为 t3 ，线路断路器断开时刻为 t4 。 MOV 动作时刻 t1 是在故障判据 t21 之前。MOV 动 作持续时间 ΔtS1 。故障判据向晶闸管阀和快速开 关同时发出，晶闸管快速闭合，快速开关闭合时间 要延迟 ΔtS2 。晶闸管阀和快速开关进行电流切换 后，快速开关工作持续时间为 ΔtS3 。继电保护检 测时间为 Δtrelay。保护动作信号出现在快速开关 动作时间内，断路器收到保护出口信号，动作时间 为 Δtbreak 。
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略，必须寻找新的判据和快速算法。本文分析旁 路电路动作时序，研究保护判据的影响因素，提出 快速保护判据方案。
2 基本控制策略
图 1 为限流器控制器示意图。电流即各支路 的电流，电压为电容器端口电压。限流器安装于 500 kV 输电线路中，电磁环境非常严酷。快速旁 路回路与电容器处在同一电位平台上，对地绝缘 水平一致。测量单元测量电气信号，通过光电变 换传送到绝缘平台外的控制器。控制单元发送触 发信号，再通过光电变换传到绝缘平台上。脉冲 单元接受触发信号，立即发给执行机构。
动作波形如图 2（ b） 所示。图中横坐标为时 间轴，从 200 ms 至 280 ms； 纵坐标为测量值，其中 保护判据无单位，1 代表保护判据动作，0 代表保 护判 据 无 动 作。短 路 故 障 发 生 时 刻 在 200 ms， MOV 过电压保护动作在 203． 5 ms，保护判据在 202． 5 毫秒给出触发信号，晶闸管阀触发时刻在 204 ms，快速开关动作时刻在 242． 5 ms。晶闸管 阀峰值电流为 62 kA，MOV 能耗控制在 700 kJ，快 速开关和晶闸管自然换流。故障发生后，限流器 动作时间不超过 5 ms。在 5 ms 内，牵涉信号处 理、旁路器件投入和换流等。任何一个环节的失 误，有可能导致投入失败。对动作时序的每一步 过程都有必要详细的分析。 3． 2 MOV 动作