[科普中國(guó)]-短路沖擊電流

簡(jiǎn)介

在電網(wǎng)電源密集和負(fù)荷密度大的電網(wǎng)局部，短路電流水平超標(biāo)現(xiàn)象日益突出。當(dāng)前，限制短路電流水平超標(biāo)的技術(shù)措施通常是從改變電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)、調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行方式或采用更大遮斷容量的設(shè)備3方面入手，而采取這些措施往往是以損失系統(tǒng)運(yùn)行的部分靈活性和安全性為代價(jià)的。

短路沖擊電流是電網(wǎng)設(shè)備選型時(shí)考慮的一個(gè)重要參數(shù)。有些研究根據(jù)不同的限制短路電流原理，已提出各類(lèi)型的短路電流限制設(shè)備。在各類(lèi)型的短路電流限制器中，相間功率控制器（inter-phase power controller，IPC）由于具有短路故障時(shí)限制短路電流、正常運(yùn)行時(shí)控制潮流的特性，在限制短路電流的應(yīng)用領(lǐng)域前景廣闊。

短路電流沖擊常通過(guò)沖擊系數(shù)乘以穩(wěn)態(tài)短路電流幅值得到，沖擊系數(shù)通常取1.8～1.9。IPC加入電網(wǎng)后對(duì)沖擊電流的影響還沒(méi)有相關(guān)的研究成果1。

IPC 限制短路電流的原理根據(jù)其支路數(shù)量的不同可分為2支路、3支路或多支路IPC，IPC在回轉(zhuǎn)器運(yùn)行狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)解耦和限制故障電流，其限制故障電流的物理過(guò)程為：R側(cè)的電壓跌落經(jīng)由IPC傳遞到S側(cè)后，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鱅S的一個(gè)跌落。可以看出，短路故障對(duì)IPC非故障側(cè)的影響只能通過(guò)與故障側(cè)相聯(lián)的電網(wǎng)傳遞，延伸了非故障側(cè)距故障點(diǎn)的距離，等效于增加了故障點(diǎn)與非故障側(cè)間的阻抗，從而減弱了故障對(duì)IPCS側(cè)電網(wǎng)的沖擊；另一方面，由回轉(zhuǎn)器的原理可知， IPCS側(cè)電壓VS較小的跌落轉(zhuǎn)變成R 側(cè)電流IR較小的波動(dòng)，此波動(dòng)反映了IPC對(duì)故障的影響。根據(jù)以上的分析，可將運(yùn)行于回轉(zhuǎn)器狀態(tài)的IPC視作由對(duì)側(cè)網(wǎng)絡(luò)電壓所控制的電流源，由非故障側(cè)向短路故障側(cè)看去的IPC等效阻抗為無(wú)窮大。

IPC出口三相短路的短路電流分析當(dāng)IPC出口發(fā)生三相短路故障時(shí)，注入IPC兩端及流經(jīng)其2條支路的電流將發(fā)生變化。對(duì)上述電流的變化情況進(jìn)行量化分析可采用運(yùn)算電路法。

IPC出口短路時(shí)，其電感支路的短路電流由直流分量和基頻交流分量構(gòu)成， 電容支路的短路電流由沖擊電流分量和基頻交流構(gòu)成。若計(jì)及系統(tǒng)中電阻分量，則系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，短路電流的直流分量和沖擊分量將衰減至零2。

IPC所聯(lián)線路三相短路后的短路電流分析當(dāng)IPC所聯(lián)線路發(fā)生三相短路故障時(shí)，其運(yùn)算電路與IPC出口短路故障不同之處在于線路電抗的引入。

另外，由上述的推導(dǎo)結(jié)果可以看出，IPC所聯(lián)線路短路時(shí)，其電感支路的短路電流由直流分量、諧波分量和基頻交流分量構(gòu)成，電容支路的短路電流由諧波分量和基頻交流構(gòu)成。由于直流分量和諧波分量都為無(wú)源分量，其能量來(lái)自短路瞬間系統(tǒng)中儲(chǔ)能元件所儲(chǔ)存的能量。因此，計(jì)及系統(tǒng)中電阻分量之后，短路電流的直流分量和諧波分量將最終衰減至零。

IPC送、受端及支路的沖擊電流計(jì)算方法經(jīng)過(guò)對(duì)IPC的2條支路中短路電流時(shí)域解的上述分析可知，影響沖擊電流因素包括IPC設(shè)備自身和所聯(lián)系統(tǒng)兩者的電氣參數(shù)。受IPC 設(shè)備參數(shù)取值不同的影響，繼續(xù)采用傳統(tǒng)的沖擊系數(shù)取值是不適用也不合理的。

基于上述原因，計(jì)算IPC送、受端和支路中的短路沖擊電流須采用電磁暫態(tài)仿真的方法，而電磁暫態(tài)仿真往往受制于系統(tǒng)的規(guī)模，因此要先對(duì)所研究的系統(tǒng)進(jìn)行等值化簡(jiǎn)。

計(jì)算IPC短路沖擊電流的具體步驟如下。

（1）對(duì)含IPC的電網(wǎng)進(jìn)行化簡(jiǎn)，等值結(jié)果須保留IPC 及與之所聯(lián)線路的母線節(jié)點(diǎn)；

（2）針對(duì)簡(jiǎn)化系統(tǒng)進(jìn)行不同故障的多次仿真，以尋找短路沖擊電流的最大值；

（3）計(jì)算IPC送、受端及支路短路電流的沖擊系數(shù)；

（4）計(jì)算含IPC的電網(wǎng)（未化簡(jiǎn)）不同方式下的短路電流， 根據(jù)（3）中得到的沖擊系數(shù)，可計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的短路沖擊電流。

采用以上方法計(jì)算出IPC送、受端及支路的短路沖擊電流后，對(duì)于電網(wǎng)中其他位置的短路沖擊電流仍可采用傳統(tǒng)的沖擊系數(shù)取值進(jìn)行計(jì)算。

總結(jié)通過(guò)對(duì)含IPC系統(tǒng)短路電流的解析求解和等值系統(tǒng)的暫態(tài)仿真，提出了IPC相關(guān)短路沖擊電流的計(jì)算方法，并得到以下結(jié)論：

（1）IPC在限制電網(wǎng)短路電流的同時(shí)，其相關(guān)的短路沖擊電流若采用通常的沖擊系數(shù)進(jìn)行計(jì)算將不能滿足精度要求；

（2）IPC相關(guān)沖擊電流的計(jì)算應(yīng)在采用電磁暫態(tài)仿真以求得沖擊系數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算；

（3）IPC的電容支路的短路沖擊電流可能會(huì)大于其出口處的短路沖擊電流3。