[科普中国]-短路冲击电流

简介

在电网电源密集和负荷密度大的电网局部，短路电流水平超标现象日益突出。当前，限制短路电流水平超标的技术措施通常是从改变电网的拓扑结构和参数、调整系统运行方式或采用更大遮断容量的设备3方面入手，而采取这些措施往往是以损失系统运行的部分灵活性和安全性为代价的。

短路冲击电流是电网设备选型时考虑的一个重要参数。有些研究根据不同的限制短路电流原理，已提出各类型的短路电流限制设备。在各类型的短路电流限制器中，相间功率控制器（inter-phase power controller，IPC）由于具有短路故障时限制短路电流、正常运行时控制潮流的特性，在限制短路电流的应用领域前景广阔。

短路电流冲击常通过冲击系数乘以稳态短路电流幅值得到，冲击系数通常取1.8～1.9。IPC加入电网后对冲击电流的影响还没有相关的研究成果1。

IPC 限制短路电流的原理根据其支路数量的不同可分为2支路、3支路或多支路IPC，IPC在回转器运行状态下可以实现系统解耦和限制故障电流，其限制故障电流的物理过程为：R侧的电压跌落经由IPC传递到S侧后，转变为电流IS的一个跌落。可以看出，短路故障对IPC非故障侧的影响只能通过与故障侧相联的电网传递，延伸了非故障侧距故障点的距离，等效于增加了故障点与非故障侧间的阻抗，从而减弱了故障对IPCS侧电网的冲击；另一方面，由回转器的原理可知， IPCS侧电压VS较小的跌落转变成R 侧电流IR较小的波动，此波动反映了IPC对故障的影响。根据以上的分析，可将运行于回转器状态的IPC视作由对侧网络电压所控制的电流源，由非故障侧向短路故障侧看去的IPC等效阻抗为无穷大。

IPC出口三相短路的短路电流分析当IPC出口发生三相短路故障时，注入IPC两端及流经其2条支路的电流将发生变化。对上述电流的变化情况进行量化分析可采用运算电路法。

IPC出口短路时，其电感支路的短路电流由直流分量和基频交流分量构成， 电容支路的短路电流由冲击电流分量和基频交流构成。若计及系统中电阻分量，则系统进入稳态后，短路电流的直流分量和冲击分量将衰减至零2。

IPC所联线路三相短路后的短路电流分析当IPC所联线路发生三相短路故障时，其运算电路与IPC出口短路故障不同之处在于线路电抗的引入。

另外，由上述的推导结果可以看出，IPC所联线路短路时，其电感支路的短路电流由直流分量、谐波分量和基频交流分量构成，电容支路的短路电流由谐波分量和基频交流构成。由于直流分量和谐波分量都为无源分量，其能量来自短路瞬间系统中储能元件所储存的能量。因此，计及系统中电阻分量之后，短路电流的直流分量和谐波分量将最终衰减至零。

IPC送、受端及支路的冲击电流计算方法经过对IPC的2条支路中短路电流时域解的上述分析可知，影响冲击电流因素包括IPC设备自身和所联系统两者的电气参数。受IPC 设备参数取值不同的影响，继续采用传统的冲击系数取值是不适用也不合理的。

基于上述原因，计算IPC送、受端和支路中的短路冲击电流须采用电磁暂态仿真的方法，而电磁暂态仿真往往受制于系统的规模，因此要先对所研究的系统进行等值化简。

计算IPC短路冲击电流的具体步骤如下。

（1）对含IPC的电网进行化简，等值结果须保留IPC 及与之所联线路的母线节点；

（2）针对简化系统进行不同故障的多次仿真，以寻找短路冲击电流的最大值；

（3）计算IPC送、受端及支路短路电流的冲击系数；

（4）计算含IPC的电网（未化简）不同方式下的短路电流， 根据（3）中得到的冲击系数，可计算得到对应的短路冲击电流。

采用以上方法计算出IPC送、受端及支路的短路冲击电流后，对于电网中其他位置的短路冲击电流仍可采用传统的冲击系数取值进行计算。

总结通过对含IPC系统短路电流的解析求解和等值系统的暂态仿真，提出了IPC相关短路冲击电流的计算方法，并得到以下结论：

（1）IPC在限制电网短路电流的同时，其相关的短路冲击电流若采用通常的冲击系数进行计算将不能满足精度要求；

（2）IPC相关冲击电流的计算应在采用电磁暂态仿真以求得冲击系数的基础上进行计算；

（3）IPC的电容支路的短路冲击电流可能会大于其出口处的短路冲击电流3。