探討串聯電抗器(濾波電抗器)對短路電流的影響(上)

        當前世界，隨著電力系統中發電機、變壓器容量的增大和輸電網電壓等級的提高，電網中電抗電阻比越來越大，導致系統短路電流直流分量即使沒有串聯電抗器(濾波電抗器)也已變得衰減越來越慢[11-12]，而串聯電抗器(濾波電抗器)的接入將可能繼續增大斷路器開斷時刻短路電流中直流分量含量，嚴重影響斷路器的實際開斷能力，甚至當短路電流直流分量衰減過慢時，還可能導致斷路器開斷時短路電流無過零點，出現零偏現象[13-14]。因此，在短路電流超標的區域配置串聯電抗器(簡稱串聯電抗器(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、巴西、澳大利亞及國內華東電網等應用了這項技術，均取得了良好的效果[1-5]。

    根據疊加原理，故障點的短路電流等于各支路之和。串聯電抗器(濾波電抗器)后系統等效圖如圖1 所示，其中R、L分別為串聯電抗器(濾波電抗器)支路串聯電抗器(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 為串聯電抗器(濾波電抗器)電感，K為短路點。短路電流直流分量初始值ap0 i 為短路發生瞬間相量差m pm I − I 在時間軸上的投影，如圖 2 所示，初值ap0 i 的大小還同故障發生的時刻有關，當m I 與pm I 的相量差與時間軸平行時， ap0 i 最大。衰減時間常數a T 隨著串聯電抗器(濾波電抗器)的增大而增大，即串聯電抗器(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，當短路電流直流分量初值過高且衰減過慢時，可能導致斷路器開斷時刻短路電流無過零點，產生零偏現象[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 會根據支路正常工作時潮流狀況而變化：當短路前有功流向故障點位(即由電源1 流向電源2)且支路無功潮流表現為感性時， m I 與相對m U 位置如圖2 所示， m I 與pm I 夾角將小于90°，此時ap0 i 小于pm I ；當短路前有功流向故障點位且支路無功潮流表現為容性時，m I 超前m U， mI與pmI夾角可能大于90°，此時ap0 i 可能大于pm I ；因系統為多電源系統，當短路前支路有功潮流流離故障點位(即由電源2 流向電源1)時， m I 位于圖2 中三、四象限，此時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電抗器，隨著串聯電抗器(濾波電抗器)的增大，直流分量將衰減的越來越慢，這都將導致斷路器開斷時直流分量可能仍大于周期分量，即短路電流無過零點，產生零偏現象。

    短路沖擊電流為短路電流最大可能的瞬時值，在感性電路中，可表示為當串聯電抗器(濾波電抗器)增大時，衰減時間常數a T 增大，導致沖擊系數im k 增大，但由于pm I 的減小，短路沖擊電流呈減小趨勢。由前述，串聯電抗器(濾波電抗器)可以抑制短路電流，但也會帶來一些負面影響。所以具體應用時應根據電網接線和運行狀態進行綜合計算，評估串聯電抗器(濾波電抗器)的影響，趨利避害。

    依托750 kV 電網建設，西北電網近年來取得了快速發展，隨著用電負荷的增長以及發電機組容量的快速增加，WB 電網規模得到明顯提升，與此同時短路電流水平也逐步上升，部分母線短路電流可能超標，其中最嚴重的為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 經其他線路與WB 形成環網結構。
   
    采用電磁暫態仿真程序(EMTP)對2016 年夏季WB 電網短路電流進行了仿真計算，計算所用電力系統模型基于PSASP“2016 夏季大”數據包基礎參數。以對研究區域關鍵計算內容影響最小為原則確定緩沖區域及外網(以等值形式出現)，最終確定等值邊界，形成研究所用WB 等值系統，共包括含45臺發電機、96 臺變壓器、152 個網絡等值負荷、408條輸電線和73 條并聯電容電抗器支路。因短路電流直流分量與短路時刻有關，所以針對WB21 母線短路電流情況，采用系統開關在一個周期內按等時間間隔進行50 次三相短路計算，找出使得WB21 短路沖擊電流最大的短路時刻，并得到該時刻WB21 短路全電流瞬時值。基于包絡線和函數擬合的方式在Matlab 上編寫短路全電流的分離程序[15]，從計算所得短路全電流中分離出周期分量和直流分量。