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Vol.43 No.06 2023.06 船电技术|应用研究 117 故障限流器电流转移过程故障限流器电流转移过程研究研究 章 程，伍开建（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）摘 要：对于电流转移型故障限流器，电流转移的原理和各部件之间的相互作用决定了限流器的性能。本文以一种基于高耦合分裂电抗器的交流故障限流器为研究对象，建立了能够反映 HCSR 复杂回路对电流转移过程影响的宽频模型，联合电弧模型仿真分析了 HCSR 引入后对限流器支路电流转移过程的影响。结果表明，开关进入真空电弧不稳定阶段后，限流器存在电流从开关支路向 HCSR 限流电感支路转移的现象，这一正反馈过程导致限流器开关更容易过零熄弧、实现电流转移。关键词：限流器 电流转移 真空电弧 高耦合分裂电抗器 中图分类号：TM563 文献标识码：A 文章编号：1003-4862(2023)06-0117-04 Research on current transfer process of fault current limiter Zhang Cheng,Wu Kaijian（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064,China）Abstract:For fault current limiter with current transfer process,the principle of current transfer and the interaction between the components determine the performance of the current limiter.In this paper,the AC fault current limiter based on high coupled split reactor is used as the research object,and a broadband model is established to reflect the influence of HCSR on the current transfer process,which is used to simulate and analyze the influence of HCSR on the current transfer results combined with arc model.The results show that when the switch steps into the vacuum arc instability stage,the current is transferred from the switch branch to the HCSR current limiter inductor branch.This positive feedback process leads to the easier current transfer and interruption of the switch.Keywords:fault current limiter;current commutation;vacuum arc;high coupled split reactor 0 引言引言 近年来，随着电力系统容量的增大，短路电流水平不断提高，严重影响了电网系统的供电可靠性，而故障限流器是解决短路电流超标问题的重要手段之一1-4。常见的交流故障限流器包括超导限流器、固态限流器以及基于常规设备的经济型限流器，按照工作原理可以分为状态转换型限流器和电流转移型限流器。其中，电流转移型限流器一般包括低阻抗和高阻抗两种支路，正常工况下电流主要流经低阻抗支路，系统发生短路故障时则配合开 收稿日期：2023-02-27 作者简介：章程（1982-），男，高级工程师。研究方向：开关电器设备。E-mail:.关等设备强行将电流从低阻抗支路转移到高阻抗支路，从而实现限流，该过程即为电流转移过程。因此，电流转移的原理和各部件之间的相互作用决定了限流器能否正常工作，也影响了限流器的性能参数。本文以一种基于高耦合分裂电抗器的交流故障限流器为研究对象，分析耦合电抗器对电流转移过程的影响。1 故障限流器工作原理简介故障限流器工作原理简介 一种基于高耦合分裂电抗器（High coupled split reactorHCSR）的交流限流器拓扑方案如图1 所示，包括真空开关 CB1、CB2 和耦合电抗器HCSR。限流器的核心部件为 HCSR，由两组反向紧耦合的线圈构成，开关合闸时 HCSR 两组线圈产生的磁场相互抵消，对外呈现为低阻抗，开关船电技术|应用研究 Vol.43 No.06 2023.06 118 分闸后 HCSR 单臂电感接入系统，完成限流。基于 HCSR 的交流限流器工作原理简单可靠，应用前景广阔，但 HCSR 对转移过程的影响规律并不明确5-6。开关CB1开关CB2HCSR图 1 限流器电路拓扑示意图 基于 HCSR 的交流限流器电流转移过程，本质上是复杂外电路（HCSR）与真空电弧的相互作用过程。因此，以基于 HCSR 的交流限流器为研究对象，开展电流转移过程中真空电弧与HCSR 的相互作用机理以及 HCSR 对电流转移过程的影响研究，有助于提高限流器的可靠性，改善其性能参数，对于限流器的设备选型及设计有重要的指导意义。真空开关分闸燃弧阶段零前电弧不稳定阶段电流过零开关耐受恢复电压电流转移成功t开关分闸后弧阻接入限流器支路，并联支路电流重新分配剧烈变化的弧阻特性+HCSR高频特性电流转移开始电流转移结束图 2 限流器电流转移过程示意图 2 故障限流器建模故障限流器建模 HCSR 在不同频率下的等效回路参数与动态变化的弧阻特性相互作用，影响了限流器的电流转移过程。为了仿真研究限流器中 HCSR 与电弧特性之间的相互作用，首先需要建立能够模拟HCSR 在不同频率下电路响应的等效电路模型和真空电弧模型。2.1 HCSR 模型 结合实验结果可知，电流转移过程中各种振荡的频率范围为工频到 MHz 级别，需要建立一个适用范围覆盖 50 Hz10 MHz 的 HCSR 的宽频等效电路模型。本文类比多导体传输线模型的建模方法，将 HCSR 内部线匝按照空间分布模拟为互相平行的长直导线，建立每个线匝首末端之间电压电流关系的方程组，最终可以联立得到如式（1）所示的矩阵方程。TSTTSSTddddttIUULRIUIIC （1）其中 US、UR分别代表 HCSR 所有线匝首端、末端对地电压构成的列向量，IS、IR分别代表流过线匝首端、末端的电流构成的列向量，L、C、R为电感、电容、电阻参数矩阵。将式（1）转换、化简后得到 HCSR 四个端子的电压、电流之间的关系，推导出 HCSR 的四端口网络等效电路模型和导纳参数矩阵，最后用矢量匹配法对 HCSR 端口特性进行拟合7-10，完成 HCSR 的等效建模。具体的 HCSR 建模流程如图 3 所示。计算高频导纳参数与低频导纳参数整合得到目标频率范围内的导纳参数矩阵采用矢量匹配法拟合导纳参数无源修正结果输入FDNE元件，模拟HCSR端口特性 图 3 HCSR 建模流程示意图 限流器中开关开断后的恢复电压受 HCSR高频杂散参数的影响，因此可以结合恢复电压的测量结果检验 HCSR 模型的等效性。实验测量了限流器样机中开关的恢复电压波形，同时搭建了实验回路的仿真模型，对相同工况下的开关恢复电压进行了仿真，实验和仿真结果如图 4 所示。实验过程中真空开关开断的电流峰值为 500 A，存在真空电弧不稳定和截流现象，可以看到，仿真和实验得到的恢复电压波形非常接近，说明HCSR 模型充分反映了杂散参数对开关断口恢复电压的影响，模型等效性较好。2.2 电弧模型 对于真空电弧燃弧阶段的弧阻特性，由于电弧电压相对稳定，可以用一个可控电压源来模拟，电压设置为电弧电压。对于真空电弧零前不稳定阶段，不稳定的起因是剩余的阴极斑点不能维持真空电弧的稳定燃弧，导致电弧电压和电流出现振荡过程。可以将单个电压尖峰和对应的电流振荡过程视为不稳定Vol.43 No.06 2023.06 船电技术|应用研究 119 阶段的一个基本单元，通过它来反映外电路与真空电弧的相互作用。图 4 实验与仿真得到的恢复电压波形对比 对于不稳定阶段单个电压尖峰和对应的电流振荡过程，电压尖峰的变化与鞘层的发展过程对应，弧隙间的电压主要施加在鞘层两端，因此弧隙等效阻抗基本等于鞘层阻抗。流过鞘层的总电流可以用传导电流与位移电流之和来表示，如式（2）所示。d0ddaEij SSt （2）其中，jd表示鞘层的等效电流密度，S 为鞘层区域的等效截面积，Ea表示鞘层区域的电场强度。因此，鞘层区域的等效电路可以表示为电阻和电容元件并联的模式。3 电流转移过程仿真研究电流转移过程仿真研究 3.1 燃弧阶段电流转移过程仿真 仿真过程中调整了主回路电流大小，分别取110 kA，得到了不同总电流下限流器支路电流的波形，典型结果如图 5 所示。总结仿真结果可知，限流器真空开关分闸后，HCSR 不会导致开关支路电流持续降低、提前过零熄弧，但真空电弧弧阻的引入会影响限流器并联支路电流分配结果，回路总电流越大，限流器的支路电流差异越不明显。3.2 零前不稳定阶段电流转移过程仿真 为了研究限流器真空开关零前不稳定阶段中 HCSR 与真空电弧之间的相互作用，可以将单个电压尖峰和对应的电流振荡过程作为纽带，分析单个电压尖峰过程中，HCSR 与动态变化的电弧特性之间的相互作用。（a）回路总电流峰值 2 kA （b）回路总电流峰值 10 kA 图 5 燃弧阶段电流转移过程 图 6 零前不稳定阶段支路电流 仿真过程中，设置单个电压尖峰的持续时间为 700 ns。设开关支路电流在 i=6 A 时开始出现不稳定，仿真得到长脉冲电压尖峰过程中，限流器各支路电流波形如图 6 所示。当不稳定阶段船电技术|应用研究 Vol.43 No.06 2023.06 120 出现电压尖峰时，开关支路电流明显降低，从 6 A降低到了 3.3 A，而开关直接开断时电流下降的幅度更小，仅从 6 A 降低到 4.6 A。图 7 对比了不同仿真条件下电流转移与直接开断的电流降幅对比。由图 7 可知，限流器电流转移过程中开关支路电流下降幅度远大于开关直接开断的情况，随着电弧电流逐渐降低，电流下降的幅度呈增大的趋势，使得限流器开关支路电流进一步减小，这种正反馈过程最终导致限流器开关更容易过零熄弧，完成开断。图 7 电流转移与直接开断时电弧电流下降幅度对比 4 结论结论 本文建立了能够反映 HCSR在不同频率下电路响应的宽频等效模型，将真空电弧模型与HCSR 模型联合仿真，分析 HCSR 与真空电弧的相互作用。结果表明，限流器在真空电弧燃弧阶段，HCSR 仅影响了支路电流分配结果，没有导致开关支路电流持续降低、提前过零熄弧；进入真空电弧不稳定阶段后，限流器存在电流从开关支路向 HCSR 限流电感支路转移的现象，与开关直接开断过程相比，限流器电流转移过程的电压尖峰的峰值更低，电流下降的幅度更大，随着电流减小，电流下降幅度进一步增大，这一正反馈过程导致限流器开关更容易过零熄弧、实现电流转移。参考文献参考文献：1 王晨,徐建霖.混合型限流及开断技术发展综述J.电网技术,2017,41(5):1644-1654.2 郑健超.故障电流限制器发展现状与应用前景J.中国电机工程学报,2014,34(29):178-185.3 樊扬,吴丹莉,张步涵,等.广东500 kV电网短路电流来源及影响因素分析J.南方电网技术,2015,9(8):83-87.4 姚颖蓓,缪源诚,庄侃沁,等.华东特高压交流工程投产初期500 kV短路电流控制策略研究J.华东电力,2014,42(12):2775-2778.5 伍开建.高耦合度分裂电抗器建模及其对并联型断路器影响仿真研究D,华中科技大学,2017:4-5.6 吴昊.应用于并联型高压断路器的高耦合度分裂电抗器高频暂态过电压研究D.华中科技大学,2011：16-30.7 Zhang Zhongyuan,Lu Fangcheng,Liang Guishu.A High-frequency circuit model of a potential transformer for the very fast transient simulation in GISJ.IEEE Transaction on,2008,23(4):1995-1999.8 B.Gustavsen,A.Semlyen.Application of vector fitting to state equation representation of transformers for simulation of electromagnetic transientsJ.IEEE Transaction on Power Delivery,1998,13(3):834-840.9 B.Gustavsen and A.Semlyen.Rational approximation of frequency domain responses by vector fittingJ.IEEE Transactions on Power Delivery,1999,14(3):1052-1061.10 B.Gustavsen,A.Semlyen.Enforcing passivity for admittance matrices approximated by rational functionsJ.IEEE Trans.Power Syst.,vol.16,no.1,2001,2:97104.