探讨串联电抗器(滤波电抗器)对短路电流的影响(上)

        当前世界，随着电力系统中发电机、变压器容量的增大和输电网电压等级的提高，电网中电抗电阻比越来越大，导致系统短路电流直流分量即使没有串联电抗器(滤波电抗器)也已变得衰减越来越慢[11-12]，而串联电抗器(滤波电抗器)的接入将可能继续增大断路器开断时刻短路电流中直流分量含量，严重影响断路器的实际开断能力，甚至当短路电流直流分量衰减过慢时，还可能导致断路器开断时短路电流无过零点，出现零偏现象[13-14]。因此，在短路电流超标的区域配置串联电抗器(简称串联电抗器(滤波电抗器))是改善局部短路电流水平的一种有效方法，美国、巴西、澳大利亚及国内华东电网等应用了这项技术，均取得了良好的效果[1-5]。

    根据叠加原理，故障点的短路电流等于各支路之和。串联电抗器(滤波电抗器)后系统等效图如图1 所示，其中R、L分别为串联电抗器(滤波电抗器)支路串联电抗器(滤波电抗器)前等效电阻、电感，R′、L′ 分别为剩余支路等效电阻、电感，Lk 为串联电抗器(滤波电抗器)电感，K为短路点。短路电流直流分量初始值ap0 i 为短路发生瞬间相量差m pm I − I 在时间轴上的投影，如图 2 所示，初值ap0 i 的大小还同故障发生的时刻有关，当m I 与pm I 的相量差与时间轴平行时， ap0 i 最大。衰减时间常数a T 随着串联电抗器(滤波电抗器)的增大而增大，即串联电抗器(滤波电抗器)越大，短路电流直流分量衰减越慢。

    此外，需特别注意的是，当短路电流直流分量初值过高且衰减过慢时，可能导致断路器开断时刻短路电流无过零点，产生零偏现象[13]。如图2 所示电源电压m U 与支路短路前正常工作电流m I 的夹角ϕ 会根据支路正常工作时潮流状况而变化：当短路前有功流向故障点位(即由电源1 流向电源2)且支路无功潮流表现为感性时， m I 与相对m U 位置如图2 所示， m I 与pm I 夹角将小于90°，此时ap0 i 小于pm I ；当短路前有功流向故障点位且支路无功潮流表现为容性时，m I 超前m U， mI与pmI夹角可能大于90°，此时ap0 i 可能大于pm I ；因系统为多电源系统，当短路前支路有功潮流流离故障点位(即由电源2 流向电源1)时， m I 位于图2 中三、四象限，此时m I 与pm I夹角大于90°， ap0 i 也可能大于pm I 。因此，支路短路电流直流分量初始值ap0 i 可能大于短路电流周分量幅值pm I ，如果此支路再加装串联电抗器，随着串联电抗器(滤波电抗器)的增大，直流分量将衰减的越来越慢，这都将导致断路器开断时直流分量可能仍大于周期分量，即短路电流无过零点，产生零偏现象。

    短路冲击电流为短路电流最大可能的瞬时值，在感性电路中，可表示为当串联电抗器(滤波电抗器)增大时，衰减时间常数a T 增大，导致冲击系数im k 增大，但由于pm I 的减小，短路冲击电流呈减小趋势。由前述，串联电抗器(滤波电抗器)可以抑制短路电流，但也会带来一些负面影响。所以具体应用时应根据电网接线和运行状态进行综合计算，评估串联电抗器(滤波电抗器)的影响，趋利避害。

    依托750 kV 电网建设，西北电网近年来取得了快速发展，随着用电负荷的增长以及发电机组容量的快速增加，WB 电网规模得到明显提升，与此同时短路电流水平也逐步上升，部分母线短路电流可能超标，其中最严重的为WB750 kV 变电站的220 kV 母线(WB21、WB22 母线)，其变电站电气接线如图3 所示,其中LG 与TH、GS 与HGY 经其他线路与WB 形成环网结构。
   
    采用电磁暂态仿真程序(EMTP)对2016 年夏季WB 电网短路电流进行了仿真计算，计算所用电力系统模型基于PSASP“2016 夏季大”数据包基础参数。以对研究区域关键计算内容影响最小为原则确定缓冲区域及外网(以等值形式出现)，最终确定等值边界，形成研究所用WB 等值系统，共包括含45台发电机、96 台变压器、152 个网络等值负荷、408条输电线和73 条并联电容电抗器支路。因短路电流直流分量与短路时刻有关，所以针对WB21 母线短路电流情况，采用系统开关在一个周期内按等时间间隔进行50 次三相短路计算，找出使得WB21 短路冲击电流最大的短路时刻，并得到该时刻WB21 短路全电流瞬时值。基于包络线和函数拟合的方式在Matlab 上编写短路全电流的分离程序[15]，从计算所得短路全电流中分离出周期分量和直流分量。