非超导桥式故障限流器的仿真分析与改进
王 冠,李庆民
(山东大学电气工程学院, 济南 250061)
摘 要: 通过PSPICE仿真，分析了具有直流偏置的非超导桥式限流器的工作原理及稳态、暂态特性。 根据仿真结果，改进了限流器控制策略，可解决直流偏置电源在故障大电流时的损耗问题， 不影响限流器的限流功能。
关键词: 桥式故障限流器; 仿真分析; 直流偏置
Simulation and Analysis of the NonSuperconducting Br idge Type Fault
CurrentLimiter and Its Improvement
WANG Guan, LI Qingmin
(School of Electrical Engineering,Shandong University, Jinan 2500 61, China)
Abstract: The operation principle as well as steadystate and transient behaviors of the nonsuperconducting bridge type fault current limiter (FCL) are analyzed based on simulations through PSPICE software. According to the simulation results, an improvement in the control strategy of the FCL is presented to avoid the unneces sary power losses of the DC bias source during faulty conditions, without any im pact on the normal current limiting function of the FCL.
Keywords: bridge type FCL; simulation and analysis; DC bias
1前言
随着电网规模的迅速扩大，我国某些负荷密度大的地区和某些500 kV、220 kV 和110 kV变电站中，短路电流将迅速增加。在改变电网结构、增加变压器短路阻抗等 措施之外［1，2］，故障电流限制器成为人们关注的热点。在适当位置装设合适的故 障限流器有以下主要优点：
1)解决因短路电流过大造成电网无断路器可选的问题，并可避免需更换大批高压断路器所造 成的损失；
2)可以提高供电可靠性；
3)降低输电线路电动力及短时发热负担，提高电网设备的可靠性；
4)提高电网的暂态稳定性；
5)在电网中装有串联型超导电力设备时，可以解决因短路电流过大而引起的失超现象，这将 降低超导设备的研发难度及造价。
国际上研究故障限流器已有多年，研发的装置种类繁多［3，4］。从技术的可能性、 经济性以及对电网的不利影响等各方面考虑，非超导型故障限流器重新受到人们的关注。所 谓非超导型故障限流器是指由电感、电阻、电容和电力电子器件等组成的故障限流拓扑结构 。其中，非超导型整流桥式故障限流器又有其独特的优点：由常规器件组成，不需要复杂的 超导等技术，可靠性高，经济性好；在电力系统正常运行时，电感线圈在直流下运行，不存 在交流无功损耗［5］。本文对此种结构的限流器进行了分析与仿真，并改进了线路 发生故障时此种限流器的控制策略。
2非超导桥式故障限流器的工作原理
非超导桥式故障限流器由二极管桥路D1~D4、电感线圈L和直流偏压源E组成， 如图1所示。其中，u为电源电压，RS为电源和线路电阻，R为桥路电阻，RL为 负荷电阻。S与S0为控制直流偏压源退出的开关，这里暂不考虑。
设4个二极管D1~D4的电流分别为i1、i2、i3、i4，线路电流为i，电 感电流为i0，参考方向见图1。
对二极管桥路的两个独立节点，由基尔霍夫电流定律（KCL）得到
由桥式电路的对称性，得到
由联立式（1）和式（2），可得
同理根据基尔霍夫电压定律（KVL）得到
若直流偏压源能提供足够大的偏置电流使得4个电流i1、i2、i3与i4在任何时刻皆 大于零，即4个二极管全导通，此时应满足的条件为
如果式（5）与式（6）满足，由于二极管通态电压的钳位作用，此时桥路中通过的是直流， 电感线圈不起作用，不会产生无功压降。从式（4）可得到
通过4个二极管的电流可由式（3）求得。
但当线路发生接地故障时（如图1中A点），故障电流i的幅值将迅速超过直流电源所能提供 的偏置电流，4个二极管全导通的条件不再满足，将会出现4个二极管在i的正负半周内交替 导通和关断的现象。此时桥路电流i0将发生从直流到脉动交流的暂态过程，电感线圈L突 然被串入线路，故障电流的迅速上升就被此电感所抑制。
下面通过PSPICE仿真来具体分析非超导桥式限流器的稳态与暂态特性，并给出改进的直 流源控制策略。
3非超导桥式限流器的仿真分析与改进
仿真分析依据图1所示单相电路进行，这里并没有考虑线路电抗和负荷种类，但并不影响一 般结论。其中，工频交流电压源u=10 000sinωt，单位为V；线路电阻RS=0.1 Ω；电感L=100 mH；桥路等效电阻R=1mΩ；负荷电阻RL=10Ω； 直流电压源E=5V；高压二极管D1~D4的正向通态电压皆为1V；A点为 发生单相接地故障的位置。
图2给出了非超桥式限流器在输电系统工作在正常负荷电流时的线路总电流i、桥路电流i 0 和各个二极管电流的稳态曲线。由于直流偏置源的作用，限流器的串入或退出不会产生过渡 过程；而且桥路限流电感此时被钳位在直流状态，不存在无功损耗，不会造成负荷端的电压 降低。
倘没有直流偏置电源E，当限流器串入、退出、系统合分闸或者系统负荷发生变化等情 况时，限流器上将产生一个时间较长的过渡过程（正常状态的自恢复时间）。图3是仿真得 到的系统正常合闸时产生的过渡过程电流曲线，自恢复时间约为0.1s。因此在系统正 常运行时，直流偏置电源的作用主要是为二极管桥路提供足够大的偏置直流，避免限流器与 系统间产生较长的过渡过程以影响负荷；并使桥路限流电感在正常工作时钳位在直流状态， 不产生无功压降。
图4给出了当线路在A点发生单相接地故障时通过仿真得到的各个电流的瞬态变化波形。 可以看出，故障发生后由于桥路电感线圈的突然插入而限制故障电流缓慢的增加，即延迟了 故障电流到达峰值的时间。尽管此种限流器在原理上并不能限制系统预期的最后故障稳态时 的电流幅值，但桥路限流电感的延迟作用使得故障电流到达预期峰值的时间非常长（可达几 十s），而系统开关早已（几十ms内）在较低故障电流时将故障线路切断了。这就 是此种故障限流器的限流原理。
但是，直流偏置电源的损耗问题值得关注。故障后通过直流电源的电流会很大（达几十 kA），其损耗将随之显著增加，达到几十kW，设计这样的直流电源是很不经济的， 实际也难以做到。
仿真结果表明，由于故障电流远大于直流电源提供的偏置电流，发生故障时有无直流电源对 限流过程基本没有影响，见图5所示。
因此，可对非超导桥式故障限流器的控制策略作相应改进，即在直流偏置电源处接入两 个开关，见图1中的开关S和开关S0。系统正常工作时，开关S0闭合，开关 S断开；当线路发 生故障时开关S闭合，同时开关S0打开，则直流偏置电源 退出故障限流器，即可解决其在故障时的损耗问题。这种改进并不影响故障限流器的限流作 用。另外，为保证较好的限流效果，开关S和开关S0宜采用具有电磁推力机构的 快速开关［6］，开关时间可控制在1ms以内。正是由于两个开关的动作时间可 以快速准确控制，其动作转换过程并不会造成直流偏置电源的短路，只是在开始动作瞬间产 生很小的短时过渡过程，根本不影响装置的限流功能。仿真结果类似于图5所示，此处不再 给出。
4结论
1)通过仿真分析了带直流偏置的非超导桥式故障限流器的稳态、暂态过程。在系统正常运行 时，由于直流偏置的作用，既无暂态过程，桥路电感也不产生无功压降；系统故障时桥路限 流电感的突然插入，可有效延迟故障电流到达峰值的时间，使断路器在故障电流还较小时就 切断线路。
2)改进了非超导桥式故障限流器的控制策略，可避免直流偏置电源在故障时的较大损耗，且 并不影响其限流功能。
3)正常运行时直流偏置电源的损耗问题还有待解决。
参考文献
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［6］李庆民,刘卫东,徐国政,等(Li Qingmin,Liu Weidong,Xu Guozheng,et al ).高压快速转换开关的研制(Research on high voltage fast transfer switch)［J］. 高压电器(High Voltage Apparatus),2003，39（6）：6-7.
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