限流电抗器的应用分析（共3篇）
限流电抗器的应用分析 篇1
为了保护电气设备在短路时不受损害, 需要采取有效的限流措施, 以确保电网的安全可靠运行。目前常用的限流方法为改变电网运行方式、改造电网结构和安装限流设备等[1,2]。前两种方式在限制短路电流的同时, 也改变了电网的初始状态, 在一定程度上牺牲了电网的可靠性, 而安装限流设备是最直接有效的方式。限流电抗器[3,4]是当今限流设备之一, 其本质是通过增加电气元件之间的阻抗的方式, 使故障点和敏感母线之间的电气距离增大, 降低电网的稠密度, 从而减小短路电流的冲击。本文通过分析华北油田任丘地区配电网的特点, 在总结其因短路引起的电压暂降案例[5,6]基础上, 确定易受电压暂降影响的敏感母线, 并通过PSASP仿真平台建立电网模型, 加装限流电抗器进行仿真, 分析其在抑制敏感母线电压暂降方面的作用。
1 华北油田配电网建模
1.1 华北油田配电网模型
华北油田区域配电网在正常情况下以开环方式辐射状运行。其中, 220 k V的赵店和留古为主要电源点, 在建模中等效为平衡节点, 章西和雄县电源容量相对较小。正常运行方式如下:
A:赵店-任东1号变-任北线、石化东线、石化西线、任五甲线-石化东1号变、石化西2号变-任五1号变-任北站 (单主变运行, 低压侧并列) 、任岔线 (充电) 。
B:留古-任东2号变-任城线 (充电) 、任青线 (充电) 、石化共用线、石化西线、任五乙线-石化东2号变、石化西1号变-任五2号变-任留线 (充电) 。
C:雄县-岔河集1号变 (单主变运行, 低压侧并列) 。
D:章西-留路1号变 (单主变运行, 低压侧并列) 。
基于电力系统分析综合程序PSASP (Power System Analysis Software Package) 建立华北油田任丘地区配电网35 k V以上 (包括部分6 k V) 系统模型如图1所示。运行方式的调整可直接在界面的接线图上进行修改, 如断路器的开关状态、变压器投运状态等。
1.2 故障仿真模拟
华北油田配电网多数电压暂降问题是由短路故障引起的。短路故障发生的频次高, 波及的范围广。短路故障发生时, 继电保护需要经过一定的延时才能切除故障, 在此期间, 非故障设备需要承受着电压暂降的考验。
根据华北油田电网实际运行情况, 石化东站和石化西站负荷为重点负荷, 相邻线路或母线发生短路故障时, 易受到影响。因此, 确定石化东和石化西变电站6 k V母线为重点敏感目标, 重点关注这2个变电站母线的电压暂降情况。通过PSASP仿真平台, 分别设置110 k V线路故障点和35 k V母线故障点进行仿真模拟, 华北油田敏感母线电压暂降情况如表1和表2所示。
对比表1和表2中的数据可知, 110 k V等级的故障对敏感母线电压的影响较大, 且故障点与敏感母线电气距离越近, 其电压跌落越严重。为方便起见, 以110 k V任五甲线和任北35-1母线为例, 设置不同的短路故障, 进行深入研究。统一设置故障起始时间为0.3 s, 持续时间为0.1 s, 石化东和石化西母线电压分别如图2和图3所示。
由图2和图3可知, 两相接地短路和三相短路对电压暂降的影响较单相短路严重, 且电气距离越近, 对敏感母线电压影响越大。
2 限流电抗器应用仿真
2.1 电抗器选取原则
电抗器的选取原则主要按照额定电压、额定电流和电抗百分数选取, 在此基础上进行母线残压、电抗器压降、动稳定和热稳定校验。其中, 电抗器压降损失表示为
式中:UN、IN分别表示额定电压、电流;XL为电抗器百分数;ϕ为功率因数角。正常运行方式下, 电抗器的压降损失不能超过额定电压的5%。
母线残压表示为
式中, I″为最大短路冲击电流, 母线残压不应低于额定电压的60%~70%。
在任北线和任五甲线出口加装限流电抗器。均选额定电压为110 k V的电抗器, 其中任北线限流电抗器额定电流为0.12 k A, 直流电阻3.24Ω;任五甲线限流电额定电流为0.2 k A, 直流电阻1.75Ω。考虑到任北35-4母线短路故障对石化东母线电压暂降影响比任五甲线短路故障时小, 其电抗器的百分数选取也相对较小。最大运行方式下, 认为此时每条线路的电流为Imax, 当电抗取不同值时, 相应的电压损失分别如表3和表4所示。值得注意的是, 由于无功补偿装置和变压器接头调整的作用, 无电抗器时, 母线电压高于额定电压的5%左右。
由表3和表4可知, 最大运行方式下, 在线路出口加装限流电抗器后, 电抗器的压降损失均小于5%, 满足式 (1) 的校验要求。
2.2 电抗器限流作用仿真
任北线、任五甲线加装不同电抗百分数的限流电抗器时, 以石化东、石化西站6 k V敏感母线电压暂降情况进行仿真。式 (2) 的校验为安装电抗器线路所在母线的残压要求, 当目标定为敏感母线时, 本文将这一要求提高, 即短路故障时敏感母线电压不低于额定电压的85%, 依次为标准配置电抗器, 仿真结果如表5和表6所示。
由表5和表6可知, 在任北线出口加装电抗值为2%的电抗器即可抑制母线35-1短路电流冲击, 使石化东6-1母线不低于额定电压的85%, 而任五甲线则需配置电抗值为14%的电抗器。限流电抗器全年 (8760 h) 电能损耗情况如表7所示。
正常运行方式下, 通过潮流计算, 任北线和任五甲线的有功功率分别为9.7 MW和27.1 MW, 任五甲线的传输功率较大, 电抗器电能损耗也较大。由于电抗器本身存在电阻, 在起到限制电压暂降作用的同时, 也增加了网损。两条线路上加装限流电抗器一年的电能损耗大约相当于一台35 MW发电机一小时满载的发电量, 若每条线路均加装限流电抗器, 其电能损耗将更加严重。因此, 线路电抗器应在个别重点线路上加装, 在较低电能损耗的前提下保证重要负荷的供电可靠性。
3 结语
本文在PSASP仿真平台上对华北油田配电网进行了电压暂降模拟, 避免了难度较高的现场实验。针对敏感母线电压暂降的防治, 提出了加装限流电抗器抑制短路电流的方法。通过仿真验证了限流电抗器能够在短路时维持敏感母线水平的作用, 但在正常运行的情况下, 由于限流电抗器电阻的存在, 电能损耗增加。因此在实际的生产中, 灵活自动投切限流电抗器将是解决电抗器自身电能损耗的一种方法, 只是其可靠性有待进一步考证。
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限流电抗器的应用分析 篇2
目前,可以用来限制500 k V超高压系统三相短路电流的方法分为两类,一类是调整电网结构,另一类是加装限流设备。调整电网结构的措施包括:发展更高电压等级电网、采用直流输电、电网分层分区、母线分段运行、环网解环等[1]。其中前2种措施能从根本上解决短路电流过大问题[2,3],但是这些措施从开始设计到实际应用需要较长时间,而且投资巨大。后3种措施相对简单,易于应用,但是会对系统供电可靠性和稳定性带来不利影响。基于以上原因,现在主要采用加装限流设备的方法限制短路电流。限流设备包括:限流电抗器(也称串联电抗器,后简称串抗器),电力电子故障限流器和超导故障限流器[4]。采用加装限流电抗器限制短路电流的技术已经非常成熟,并成功应用在巴西、美国、中国上海等地[5,6]。因此,目前主要采用配置串抗器的方法来限制500 k V母线短路电流。
限流电抗器价格较为昂贵,而且会减少线路传输功率,降低受端母线电压,并对电网稳定性带来不利影响,所以系统中不宜加装过多串抗器。就目前江苏电网而言,苏南地区有多条母线的三相短路电流将会超标,因此对串抗器进行优化配置,减少加装串抗器的数量和阻抗显得尤为重要。
传统配置方法主要依靠经验和反复的试验,效率低,而且无法把握全局效果。文献[7]提出一种电力系统限流措施的优化方法。本文在此基础上,只考虑加装限流电抗器这种限流措施,提出一种采用粒子群算法优化配置方法,使得在满足限制短路电流的前提下,加装串抗器的数量和阻抗值最小,同时保证系统正常运行。并针对应用粒子群算法,改进串抗器数学模型,减少优化变量的数量。
1 限流电抗器概述
加装限流电抗器的本质是通过增加系统线路阻抗,以减小变压器母线某些分支的短路电流。目前常采用干式空心电抗器限制短路电流。相比于油浸式电抗器,干式空心电抗器具有大范围的线性阻抗特性,而且维护简单、占地面积小[8]。由于串抗器会引起线路两侧断路器瞬时恢复电压过大,造成断路器重燃事故,常接有对地耦合电容器和跨接耦合电容器,限流电抗器整套设备如图1所示[9,10]。
限流电抗器的典型配置方式有:串接于分段母线联络线方式、串接于线路方式、串接于变压器支路和加装在变压器中性点等几种方式[11]。前2种接线方式常用于限制三相短路电流。串接于分段母线联络线方式首先要求母线可分段,而且对现场有一定的要求,需要分段母线间留有一定空间用于安装串抗器。本文都采用串接于线路方式配置限流电抗器。
2 优化配置限流电抗器设计思想
2.1 整体设计思想
优化配置限流电抗器需要优化选择限流电抗器的安装位置和限流电抗器的阻抗值,使得在满足限制短路电流的前提下,加装串抗器的数量和总阻抗最少。
文献[7]所采用的模型将限流电抗器的安装位置和阻抗值都作为优化的控制变量,增加了优化变量的数量和复杂程度。本文采用一种简化模型,以减少优化变量的数量。首先,假设与故障母线相连的每条线路都串联了电抗器,再优化选择串联的电抗器阻抗值。如果选择的配置阻抗值为零,则相当于该线路没有加装串抗器;如果配置的串抗器阻抗值非零,则相当于该线路加装了串抗器,相应阻抗值大小为配置串抗值。需要注意的是对于双回线和三回线而言,若需加装限流电抗器,则每一回线都需要加装串抗器,且阻抗值必须相同。
2.2 限流电抗器数学模型
在线路上加装限流电抗器,其等值图如图2所示。
加装线路电抗器不会改变导纳矩阵的阶数,但会改变节点i和节点j的互导纳、节点i和节点j的自导纳,相应的变化量为[7]:
式中:ΔZij为线路上安装的限流电抗器阻抗值。采用式(1)计算系统加装串抗器后的导纳矩阵,避免反复重构导纳矩阵,节约计算时间。
2.3 目标函数
优化算法目标是尽可能的减少加装串抗器的数量和总阻抗值,实质上是多目标优化问题。本文采用串抗器台数和总加装阻抗值加权和的形式,同时衡量这2个量的影响,将多目标优化问题转换为单目标优化问题,其数学表达式为:
式中:g1和g2分别为加装串抗器的数量和串抗器总阻抗的权值;xi为第i条线路安装的串抗器阻抗值;NCLI为安装串抗器的台数。
通过权值可调整加装串抗器的数量和总加装阻抗值在目标函数中的影响程度。优化配置串抗器时,首先关注系统加装串抗器的数量,其次关注总加装串抗值,所以应设定g1>g2。但是由于当线路加装串抗电抗越大时,短路电流对串抗的灵敏度反而越小(如图3所示),所以g1与g2的比不应设置过大。设置合理的权值对优化方案的实用性至关重要。本文从工程应用方面考虑,采用投入经济性作为设置权值的标准。根据实际经验,每套设备的安装及配套设施的成本是单位欧姆串抗器成本的5至10倍。本文折中考虑将设g1为10,设g2为1.5。此目标函数值表示总投入成本系数。
2.4 约束条件
串抗器配置方案需要满足2个约束条件:母线短路电流小于限流目标;母线电压需要在设定允许范围内。
(1)短路电流约束条件:
式中:Ire.i为i母线的限流目标电流;Isc.i为i母线的计算短路电流。
(2)母线电压约束条件:
式中:Vi.min和Vi.max分别为电网正常运行时i母线的电压允许最小值和最大值。
3 优化配置限流电抗器算法流程
粒子群算法以其在处理目标函数问题中易于实现、数学逻辑基础简单以及对目标函数较强的灵敏性等优势,在最优配置问题中受到很多学者的重视[12]。本文采用粒子群算法优化配置限流电抗器,再利用专业软件校核方案可靠性和系统稳定性,具体流程如图4所示。
4 算例分析
用上述算法对IEEE30节点系统优化配置限流电抗器限制短路电流。系统中2台发电机和4台调相机的短路阻抗(标幺值)分别取0.011,0.012,0.01,0.01,0.2和0.2;设定系统短路电流不能超过46 k A。计算系统母线短路电流,发现有4条母线短路电流超标,见表1。采用优化配置限流电抗器算法限制这4条母线短路电流,得到串抗器配置方案见表2,此时母线短路电流值见表1。由于IEEE30节点系统规模较小,可以采用枚举法计算最佳配置方案,验证优化算法的可靠性。设置枚举步长为0.5Ω,所得方案见表2,限流效果见表1。
根据粒子群算法优化所得方案配置限流电抗器,成功限制母线短路电流。优化算法所得配置方案总加装串抗器阻抗值为37.64Ω,总投入成本系数为86.48;枚举法所得最佳方案总加装串抗器阻抗值为39Ω,总投入成本系数为86.86。优化所得方案和枚举法所得方案选择加装串抗器线路相同,配置的容量大小相近。只是由于受到枚举法步长精度的影响,使得枚举法所得方案配置阻抗略大。通过和枚举法最佳配置方案的比较,验证了优化配置串抗器算法的可靠性和实用性,满足算法设计的要求。对于实际大电网,由于采用枚举法配置串抗器计算量过大,并不可行。而采用粒子群算法的优化效率远高于枚举法,使得应用于实际大电网成为可能。
5 在江苏电网的应用
5.1 优化配置电抗器限制江苏电网短路电流
根据2010年江苏电网规划,武南、晋陵、惠泉和石牌500 k V侧母线短路电流严重超标(具体短路电流值见表3),武南母线三相短路电流高达73.63 k A,需要加装限流电抗器限制短路电流。设定限流目标时应留有一定裕度,以防止电网规模进一步扩大和新电源接入使短路电流再次超标。同时,限流目标不宜设定过低,因为当规划建设的特高压电网和直流电网建成后,500 k V电网的短路电流将会明显下降。综合考虑留有5%的裕度,将限流目标设为60 k A。
采用本文方法优化配置限流电抗器,所得最佳方案见表4(该方案记为方案1),此时短路电流值见表5。
方案1对于4条母线超标的情况,在3条双回线上加装串抗器,总加装串抗阻抗值为98.68Ω,总投入成本系数为207.58,此时短路电流已满足限制目标。但是方案1在武南-晋陵双回线上加装的串抗器阻抗过大,根据工程经验,并不实用。考虑到目前武南至晋陵采用双回线联接,断开其一回线,将明显增加武南至晋陵的电气距离,降低武南和晋陵母线的短路电流,减少加装的串抗器阻抗。此时江苏电网超标母线短路电流见表6,可见武南和晋陵母线的短路电流大为下降。
采用本文方法优化配置限流电抗器,所得最佳配置方案见表7(该方案记为方案2),此时短路电流见表8。方案2仅在一条单回线和一条双回线上加装串抗器,总加装阻抗为45.76Ω,总投入成本系数为98.4,不到方案1总投入成本的一半。从经济性和电网结构完整性的角度考虑,方案2是待选最佳方案。
5.2 加装串抗器后系统潮流和稳定性校核
加装限流电抗器会对系统的潮流和稳定带来影响,需要对加装串抗器后的系统进行校核。
5.2.1潮流校核
根据方案2加装串抗器,对加装串抗线路的潮流影响较大。未加装串抗器前,晋陵至武南单回线传输有功功率380 MW、无功功率-118Mvar,常熟南至石牌双回线传输有功功率2 436 MW、无功功率31.2 Mvar;加装串抗器后晋陵至武南单回线传输功率明显下降,此时传输的有功功率为302 MW、无功功率为-73.5 Mvar,常熟南至石牌双回线传输有功功率1 988 MW、无功功率74 Mvar。减少的传输功率分摊在东西两边的输电线路上,使得晋陵至张家港双回线和东善桥-廻峰-岷珠-武南沿线传输功率上升。纵观全网,没有线路出现过载。
优化中已经考虑电压约束,所以方案2必然满足电压要求。进一步计算可知,加装串抗器前后母线电压变化甚微。
2.2稳定性校核
在BPA软件中,对加装串抗器线路和临近线路进行暂态稳定仿真,以校核其稳定性。故障设定为三相金属性短路,0.1 s后故障线路永久切除,比较加装串抗器前后系统最大功角差曲线。其中加装串抗器线路最大功角差曲线如图5、图6所示,偏差最大的最大功角差曲线如图7所示。
加装串抗器线路发生三相短路时,系统最大功角差略有下降,如图5和图6所示,这是由于加装串抗器线路的潮流减少造成的,并不意味着系统的稳定裕度提高[13]。当系统加装串抗器后,晋陵至张家港线路和廻峰至岷珠线路发生故障时的最大功角常略有增加,如图7所示。这是因为输电线传输功率增加,更接近极限传输功率造成的。不过可以明显判断出系统仍然是稳定的。
经过对加装串抗器前后系统潮流和稳定性的校核可知,根据方案2加装串抗器,虽然会对潮流和稳定性带来影响,但是远不足以使系统线路过载或者系统失稳。方案2满足系统正常运行的要求。
6 结束语
本文提出了一种采用粒子群算法优化配置限流电抗器的方法,使得在满足限制短路电流的前提下,尽可能地减少加装串抗器的数量和总阻抗,即使得总投入成本最小,同时保证系统正常运行。通过在IEEE30节点标准系统和江苏电网的实际应用,表明本文方法的可靠性和实用性。江苏电网优化配置串抗器方案(方案2)满足限制短路电流和电网正常运行的要求,具有一定的实用价值。
摘要：随着电网规模的扩大,母线短路电流不断增大。目前常采用加装限流电抗器的方法来限制500 kV电网的三相短路电流。文中提出一种采用粒子群算法优化配置限流电抗器的方法,在满足限制短路电流的前提下,加装电抗器的数量和总阻抗最小,同时保证系统正常运行。通过在IEEE30节点系统的测试,以及与枚举法结果的比较,验证了该方法的实用性和可靠性。采用该方法限制江苏电网短路电流,取得很好的效果,达到设计的要求。
限流电抗器的应用分析 篇3
1 兼顾限流与压降要求的计算分析
1.1 短路电流计算的电气接线
某变电站已有2台150 MVA的主变压器T1、T2, 10 kV侧接有限流电抗器L1、L2。在进行三期扩建时, 根据该地区的电网的需求, 要扩建1台180 MVA的变压器。为了和前期工程保持一致性, 扩建工程的变压器T3仍采用普通阻抗变压器, 10 kV侧也采用电抗器L3限流。此时, 该站的短路电流计算接线图如图1所示。
由于该站10 kV侧的短路电流不存在零序短路电流的计算, 而且10 kV侧为分列运行, 所以本文在讨论扩建部分电抗器选择时, 仅以扩建部分 (即主变压器T3及其10 kV部分) 的正 (负) 序电抗等值电路 (见图2) 进行计算。根据系统短路电流的计算结果, 220 kV母线侧正 (负) 序电抗X1标么值为0.005 58, 110 kV母线侧正 (负) 序电抗X2接近∞。主变压器T3的等值电抗X3、X4、X5标么值分别为0.080 56、-0.002 78、0.0472 20。
1.2 10 kV侧未加限流电抗器时的短电流计算
当主变压器T3的10 kV侧未加限流电抗器 (见图2) 时, 进行短路电流计算, 算得在k1点的短路电流为67.6 kA, 这样就需要在k1点后加装限流电抗器。
1.3 限流电抗器的初步选择
限流电抗器选择时, 其电抗百分数Xk%和压降损失百分数ΔU必须分别满足:
式中:Uj为基准电压, kV;Ij为基准电流, A;Xj*为在Uj、Ij基准下, 从网络计算至所选用电抗器前的电抗标么值;Uek为电抗器的额定电压, kV;Iek为电抗器的额定电流, A;I″为被电抗限制后所要求的短路次暂态电流, kA;Ig为正常通过的工作电流, A;φ为负荷功率因数角, 一般取sinφ=0.6。
由于该站主变压器T3 10 kV侧采用5组10.02 Mvar电容器组, 10 kV的工作电流不小于电容器组回路电流3.55 kA, 因此选择限流电抗器额定电流为4 kA, 10 kV开关柜断路器的开断电流为31.5 kA。按式 (1) 计算得Xk%=6.47, 为此, 先初步选Xk%=8%, 按 (2) 校验电压损失, 也满足要求。
1.4 10 kV侧加限流电抗器后短路电流计算
主变压器T3 10 kV侧接入电抗X6百分数值为8%的限流电抗器L3后的等值电路图如图3所示。按此等值电路进行短路电流计算, 标得在k2点的短路电流为27.93 kA。根据广东省的情况, 10 kV配电网设备短路耐受电流最多为20 kA, 计及变电站到配电网用户端的线路阻抗后, 为使配电网断路器能够开断短路电流, 一般也要将变电站10 kV的短路电流限制在25 kA以内。显然, 若接入8%电抗百分数的限流电抗器, 不能满足此限流要求。因此, 改选10%电抗百分数的限流电抗器, 再按图3计算, 算得k2点的短路电流降为24.40 kA, 满足小于25 kA的要求。但此时, 电抗器的电压损失却达到5.32%, 超过了规范的要求。
2 限流电抗器选择的综合考虑
从上述计算可见, 选择两种不同电抗值限流电抗器时各有利弊。安全运行是电力生产的关键, 限流电抗器的作用就是要限制短路电流, 以便选择轻型的开关设备。从本例的实际情况看, 宜采用10%的限流电抗器, 将短路电流限制到合乎要求, 以保证开关设备安全运行的需要。虽然此时电压损失超过5%, 10 kV母线上的电压 (10.41 kV) 比供电基准电压 (10.5 kV) 略为偏低, 短时间的并列运行时也会因为母线的电压不同造成环流的问题, 但这可通过电压/无功控制VQC及有载调压变压器的调压功能予以解决。
摘要：限流电抗器电抗值选择时既要将短路电流限制到规定值, 又不能使电压损失过大。结合变电站扩建时主变压器10 kV侧限流电抗器的选择, 介绍了短路电流计算等值电路、计算方法和电抗器电抗值的选择步骤。
关键词：限流电抗器,短路电流,压降
参考文献