500 kV限流器接入对广东电网潮流分布影响分析

杨帆，张旭，叶其革

(广州电力设计院有限公司，广东 广州510075)

0 引言

随着珠三角经济的飞速发展，广东电网中珠三角电网的互联紧密，枢纽站数量众多，电厂、变电站出线较多，加深了电网结构的复杂程度，短路电流水平加剧[1－2]。尤其是近年来，广东电网的装机容量和500 kV网架建设都高速发展，电网结构的加强满足了广东电网负荷增长和可靠性供电的需求，但同时也带来了珠三角地区500 kV电网短路容量的稳步增长。500 kV电网全接线条件下，短路电流水平超过60 kA的站点有10个，超过63 kA的有3个，平均短路电流水平42·4 kA[3]。尽管部分方式下可以通过调整电网结构来降低短路电流水平，但也降低了电网运行安全裕度。在不改变电网结构的情况下，压减电源开机和出力也是降低短路电流水平的措施之一，受此影响近两年惠蓄电站在夏季迎峰度夏期间不能全开机运行，无法完全发挥其调峰作用。

电力系统发生短路故障时，通常会以断路器开断线路的方式来应对。但随着电网规模的扩大，短路电流的急剧增加，许多地区电网均有断路器难以开断的潜在隐患。目前我国能够批量生产应用的500 kV断路器的最大开断容量为63 kA，较为经济实用的真空断路器的开断能力均在50 kA以下，当短路电流大于最大开断电流时，线路中会因电弧的作用而使得断路器无法正常工作。因此，短路容量的急剧增加已成为电网安全、稳定运行的严重隐患和亟待解决的关键技术难题之一[4－5]。

为了限制短路电流而又不增大系统阻抗，20世纪70年代初John C·Cronin就提到了故障电流限制器(Fault Current Limiter，FCL)[6]。经过30多年的发展，特别是近几年随着大功率半导体器件、高温超导技术以及微电子控制技术等的发展，涌现出了各种类型的故障限流器[7－8]，不同故障限流器的具体工作机理各不相同，但最基本的限流原理一样:都是在系统正常运行条件下对外不呈现阻抗，当系统发生短路故障时迅速串入系统网络中，呈现高阻抗状态以起到限制短路电流的作用。针对高压及超高压电压等级、90 kA级别短路电流的应用场景，基于高耦合分裂电抗器(High Coupled Split Reactor，HCSR)[9]的 限 流 器 在110 kV、220 kV、500 kV电压等级有着良好的应用前景。根据广东电网2021年规划方案，广东电网将在广南站建设基于HCSR的500 kV限流器示范工程，该示范工程可抑制短路电流90 kA，限流幅度达40%及以上，稳态运行损耗≤0·02%，成为世界上首个500 kV/90 kA限流器示范工程[10]。

基于高耦合电抗型的500 kV/90 kA限流器装设在线路上后，会对广东电网整个系统的潮流分布造成一定的影响。以广南站500 kV/90 kA限流器示范工程为背景，利用BPA[10]仿真软件研究在500 kV限流器接入(10 ms/20 ms启动)后，限流器接入后对系统潮流分布的影响进行了仿真研究，主要包括耦合系数对无功潮流的影响。

1 500 kV限流器工作原理

基于高耦合度分裂电抗器工作原理接线如图1所示。

图1 基于HCSR的并联型断路器原理图

高耦合电抗器HCSR由相互耦合的两个线圈组成，两个线圈一端短接，另一端分别连接相互并联的断路器，形成两个相互并联的支路[11－12]。当两个支路都有电流通过时，两个线圈产生的磁通在公共磁路内相互抵消，使得线圈对外只表现出很小的漏电感；而当两个支路电流不均衡或只有单个支路通流的情况下，线圈产生的磁通较大，对应的电感线圈对外表现为较大的电感，可限制对应支路的故障电流。由于耦合线圈的上述作用，基于HCSR的并联型断路器能够实现并联断路器的自动均流、限流，从而有效提高断路器的载流、开断能力。

由于基于HCSR的限流器拓扑均采用快速开关，而单个快速开关难以满足暂态恢复电压要求，因此考虑通过多个限流器模块串联来降低对单个快速开关的开断能力要求[13]。如图2所示，采用两个限流器模块串联，每个HCSR的单臂电感为4 mH，耦合系数均为0·97，快速开关共有4个。

图2 两个模块串联的限流器改进拓扑示意图

对于三相接地短路和三相不接地短路故障，根据已有的研究结果，两个相同限流器串联的限流效果与采用一个单臂电感8 mH的HCSR完全相同。目前所给模型的单个限流器的单臂限流电感为4 mH，耦合系数为0·97，均流情况下HCSR的漏电感为(1－0·97)/2×4 mH＝0·06 mH，对应的等效阻抗约为0·018 85 Ω；限流情况下HCSR单臂电感为4 mH，对应的等效阻抗约为1·256 6 Ω。考虑到两个限流器串联工作，因此在正常工作中，均流情况下，HCSR的漏电感为0·12 mH，对应的等效阻抗约为0·037 7 Ω；而在限流情况下，HCSR单臂电感为8 mH，对应的等效阻抗为2·513 2 Ω。

基于HCSR的并联型断路器在动作之前，HCSR起到均流作用，保证两并联支路电流基本相同，此时HCSR对外表现为漏电感，在分析HCSR对继保的影响时，需要考虑HCSR漏电抗对电网中各个电气量的影响。而HCSR的耦合系数很高，对应的漏电感很小，在耦合系数为0·97的情况下，单臂电感为4 mH的HCSR的漏电感仅为0·06 mH(等效阻抗约为0·018 85 Ω)。因此，在成套装置动作之前，HCSR的等效阻抗与线路阻抗相比很小。

风险事件后果严重性可通过事故情景构建和事故演化过程分析，采用问卷调查的方式让专家或一线工作人员结合自身风险管理经验从人员伤亡、直接经济损失、环境损失等多个角度进行评估.

2 基于BPA的限流器等效模型

在BPA软件中，没有限流器模型。为此，需要设计对应的等效电路以代替限流器的动作。限流器工作有两个阶段，分别是均流阶段和限流阶段。在均流阶段，限流器开关不动作，限流器对外表现为漏电抗；在限流阶段，限流器开关动作，限流器对外表现为大电抗[14]。

为了体现限流器的特性，同样设计两条线路电抗来对实际中的限流器模型进行等效。两条电抗回路并联时，其等效电抗等效为漏电抗；当其中一条线路断开时，其对外电抗为限流器工作电抗。

支路1电抗X1设置为8 mH，等效电抗为:

所安装线路的基准电压为500 kV，容量基准为100 MVA，因此可以得到阻抗基准值为XBase＝2 500 Ω，因此，支路1的阻抗标幺值为0·001。

耦合系数为0·97时，支路2与支路1并联后的等效电抗为0·12 mH，根据并联公式，应满足如下关系:

式中，X1、X2分别为支路1、支路2的电抗，XA为等效电抗。

根据上述公式，可以求解得到支路2的电抗为:

根据基准值，可以得到支路2对应的电抗标幺值为0·000 015 3。

在均流阶段，两条线路均接入电路，对外表现为漏电抗；在限流阶段，第二条并联线路断开，第一条线路不进行任何操作，此时线路对外表现出大电抗。

500 kV顺德—广南限流电抗器工程2021水平年及系统方式下，流过限流器的短路电流水平计算结果见表1。从表1可见，当不考虑限流器单元连接处发生接地故障时，接入限流电抗器后，单相接地线路短路电流水平由未接限流电抗器的90 kA水平降低至49·6 kA，限制水平超过了40%；最大峰值电流限制到119·1 kA。

表1 流经500 kV顺德—广南限流电抗器的短路电流 kA

3 500 kV限流器接入对广东电网潮流的影响分析

广南站500 kV/90 kA限流器示范工程限流电抗器安装在广南—顺德甲线广南站内，广南站及周边电网潮流分布如图3所示。

图3 广南站及周边电网潮流分布

在正常情况下，将加装限流器前后的潮流分布情况进行比对，以网损作为对比分析对象。表2为耦合度为0·97的网损结果。从表2中不难发现，系统处于正常工作状态时，限流器不会对电网的正常运行造成影响，仅仅会增加很小一部分的无功网损。

表2 耦合度为0.97的网损结果对比

进一步对不同耦合度限流器接入电网对潮流造成的影响进行分析，分别给出耦合系数为0·95和0·90情况下的系统潮流分布，结果见表3—4。

表3 耦合度为0.95的网损结果对比

表4 耦合度为0.90的网损结果对比

当耦合系数为0·95时，单臂电感均流情况下HCSR的漏电感为(1－0·95)/2×4 mH＝0·10 mH，对应的等效阻抗约为0·031 416 Ω，限流情况下HCSR单臂电感为4 mH，对应的等效阻抗约为1·256 6 Ω。两个限流器串联在正常工作中均流情况下，HCSR的漏电感为0·20 mH，对应的等效阻抗约为0·062 83 Ω；而在限流情况下，HCSR单臂电感为8 mH，对应的等效阻抗为2·513 2 Ω。

当耦合系数为0·90时，单臂电感均流情况下HCSR的漏电感为(1－0·9)/2×4 mH＝0·20 mH，对应的等效阻抗约为0·062 83 Ω，限流情况下HCSR单臂电感为4 mH，对应的等效阻抗约为1·256 6 Ω。两个限流器串联在正常工作中均流情况下，HCSR的漏电感为0·40 mH，对应的等效阻抗约为0·125 66 Ω；而在限流情况下，HCSR单臂电感为8 mH，对应的等效阻抗为2·513 2 Ω。

根据上述仿真结果可知，在加装限流器前后，电网的无功损耗有所增加，但增加不大；同时由于限流器的接入，导致了部分潮流的转移，因此系统有功功率的损耗也发生了变化。除此之外，加装限流器前后，系统中各个节点的电压幅值和相角并未发生明显变化，即限流器的安装并不会对电网正常工作情况下的安全稳定运行造成影响。

4 结论

本文以广南站500 kV/90 kA限流器示范工程为背景，利用BPA仿真软件研究在500 kV限流器接入(10 ms/20 ms启动)后，对系统潮流分布和暂态稳定功角差的影响进行了仿真研究，结果表明:

1)在稳态情况下，由于500 kV限流器的耦合系数较高，对外表现的漏电抗较小，不会影响系统正常工作时的节点电压。但是其对外表现的漏电抗，仍然可能造成无功损耗的增加。综合给出的所有仿真结果，无功损耗的增加值通常低于0·5 Mvar。

2)随着耦合系数的降低，限流器对外呈现的漏电抗越大，会拉低节点的正常工作电压，同时会增大电网中的无功损耗，因此应尽量提高限流器的耦合系数。