Electrical Engineering and Automation March 2014, Volume 3, Issue 1, PP.1-8
Effects of the Current Limiter on Short-Line Fault Circuit Breaker in 220kV System Yangyang Chang Automation engineering school, Shanghai University of Electric Power, Shanghai, 200090
Abstract Short-line fault is the one of elementary tasks of studying in circuit breaker. The purpose of this paper is that what influence will be made when 220000 voltage circuit breaker and current-limiting inductance are in series. In this paper, we calculated the models near the electrical power and transmission line in 220000 voltages, gave the mathematic model and physical model of short-line fault circuit breaker, and then analyzed the effects on the transient recovery voltage, the rate of rise of transient recovery voltage, short-line fault current and the transient impact short-line fault current. The result shows that after adding current-limiting inductors, the short-line fault current decreases; transient recovery voltage amplitude increases and rising rate is very high, but the transient recovery voltage of the consequent waves tends to be more stable. Different numerical value of current-limiting inductance makes distinct influence on the same transmission line, which mainly shows that with increasing numerical value of current limiting inductance, short-line fault current decreases. However, the short-line fault voltage amplitude will increase first and then decrease so that it appears the impact of current recovery voltage at the maximum transient voltage peaks. With the increase of the length of transmission line, the effects of inductance for longer transmission line are different but it is the same for changing trends of the transient recovery voltage and short-line fault current. Therefore, adding proper current-limiting inductance can effectively reduce the short-line fault problem of the circuit breaker. Keywords: Matlab Simulation; Current-Limiting Inductor; Short-Line Fault Circuit Breaker; Transient Recovery Voltage; Short-Line Fault Current
220kV 限流器对断路器开断近区故障的影响 畅洋洋 上海电力学院自动化工程学院, 上海, 200090 要: 开断近区故障是断路器研究的基本任务之一。本文研究在 220 千伏回路中串联电流限流器后对断路器开断近区故
摘
障时的影响。分别计算了 220kV 电源与线路的等值模型，提出了断路器开断近区故障时的物理模型和数学模型，然后分 析了限流器处于断路器安装在线路侧对断路器的固有恢复电压的幅值，上升率，近区故障电流和近区故障冲击电流的影 响。研究结果表明，加入小型限流器后，断路器的近区故障电流减小，暂态恢复电压的波幅增大并且上升率很高，但是 暂态恢复电压的后续波形趋于稳定；不同大小的限流电感对于输电线路影响也不同，随着限流电感的增大，近区故障电 流随之减小，但是近区故障电压波幅会先增大后减小，在最大的暂态恢复电压的波峰下也会出现冲击电流；随着输电线 路长度的增加，不同限流电感对于输电线路的影响也不同，但是对于暂态恢复电压与近区故障电流的趋势是相同的。因 此，加入合适的限流电感可有效的减少断路器近区开断问题。 关键词: Matlab 仿真；限流电感器；断路器近区故障；暂态恢复电压；近区故障电流
引言 由于线路的集中与系统容量的日益增大，使短路电流水平逐渐增大，短路电流的增大不仅会使断路器难 以开断，甚至会发生击穿，造成严重的后果。当系统短路发生时，会产生断路器的分闸开断短路电流，断路 -1www.ivypub.org/eea
器的触头分离后，触头间产生电弧，电弧电流过零瞬间，电弧熄灭，触头上就会产生暂态恢复电压，这个电 [1]
压值很大，甚至会超过系统电源值最大波峰的 2 倍 。由于线路波过程的理论，又引起暂态恢复电压的震荡， 不停的对断路器造成冲击。在巨大的电压冲击和电流冲击的影响下，断路器的在近区故障时的开断就会变的 [2]
十分的严重 。数年以来，许多人想到了很多种方案来减少近区故障对断路器造成的影响，例如选择不同参 [3]
数的断路器，或者加入并联电阻 ，串入限流器等。若选择限流器，当系统正常运行时，限流器发生谐振， 对系统不会造成影响，而当发生短路的时候，系统中就会串入一个很大的电感，这个电感就会很好的保护断 [5]
路器 。限流器的在实际中存在着分布电容和对地杂散电容，减少分布电容的值，可以通过减少分布电容常 用的丝包线或多股漆包线，有时用蜂窝式绕线法等来减少。对地杂散电容可以在制造原件时，也可以尽可能 的减小。利用这一特性，本文主要采用的是电感模型的限流器，忽略了两个电容。本文通过在线路侧，串入 [4]
参数合适的限流电感器 ，这样可以有效的限制短路电流的大小，还可以抑制断路器暂态恢复电压的波峰与 后续的电压震荡。
1
研究方法 通过研究线路侧加入限流器后，对断路器的综合影响，这个影响因素包括，断路器的暂态恢复电压的最
大波峰值与它的上升率，断路器的近区故障电流与近区故障冲击电流
[6][7]
。本文首先建立断路器近区故障的
物理模型，见图 1，通过查找资料，例如，电气工程手册，高压电器文选等书刊选取及计算系统及断路器的 等效参数值，见表 1，将物理模型化简成数学（仿真）模型，见图 2，再利用 Matlab 软件的 Simulink 模块 进行仿真，得出波形图和结论。
图 1 加入限流电感以后的等值线路物理模型
注：模型最左侧为等效电源，R1 为电源侧等效电阻，L1 为电源侧等效电感，C1 为电源侧等效电容。S 为断 路器，C2 为断路器并联电容，R2 为断路器等值电阻限流电感，L2 为输电线路单位电感，C3 为输电线路等效电 容。限流电感为 L3。此模型的原理图来自国标的断路器的近区故障实验。
图 2 加入限流器后输电线路为 1km 的数学仿真模型
注：此计算（仿真）模型是基于 Matlab7.0 而构建的。 -2www.ivypub.org/eea
表 1 计算模型中的参数值 220kV 电源最大值波峰值
2
R1 电源侧等效电阻
11.685Ω
L1 电源侧等效电感
0.0143H
C1 电源侧等效电容
0.897nF
S 断路器
分闸时间 0.04s，内阻 0Ω
C2 为断路器并联电容
0.637pF
R2 为断路器等值电阻
分闸后随时间增大而增大
L2 为输电线路单位电感
0.1303mH/km
C3 为输电线路等效电容。限流电感为 L3
0.113uF/km
计算与分析 本文的计算分析主要分为六个部分，主要的仿真方法是 0s 时发生近区故障，断路器在 0.04s 的时候分
闸，之后观察断路器两端的暂态恢复电压及近区故障电流。 （1）对于影响断路器暂态恢复电压的因素，除了线路参和电源参数的影响以外，对于断路器本身最大 的影响就是断路器的等值电阻，所以本文首先要确定断路器的等值电阻对于近区故障的影响后，才能加入限 流电感进行讨论。当断路器分闸时，断路器的等值电阻从内阻值逐渐增大到无穷值，由于断路器的等值电阻 随时间而变化，在线路中不好等效，而在 Matlab7.0 里没有非线性的电阻元件，只能通过模拟电阻两端电压 变化或者逐步改变模型来等效，所以在本文中使用不同的参数值进行仿真，分别对断路器的等值电阻进行增 大，分别取值 0Ω，10000Ω，100000Ω。其他的仿真参数值都不变，线路采用 1km 长度。结果发现随着等值 电阻增大，暂态恢复电压电压也逐渐增大，也就是说当发生近区故障的时候，断路器的等值电阻一瞬间增大， 会导致断路器的暂态恢复电压也一瞬间增大，上升率突然增高，而近区故障电流却没有改变，也没有近区故 障冲击电流，这也说明了暂态恢复电压与断路器等值电阻的关系。 如果将断路器看成是理想的，也就是说开断的等值电阻为无穷大，内阻为 0，那么模型提出来的等值电 阻就变成了断路器的并联电阻，如果对断路器的加入并联电阻，也就是 0Ω 变化到 10000Ω，断路器的暂态 恢复电压的波峰值却相应的减小，上升率也减小了，近区故障电流没有改变，也就是说加入并联电阻可以减 缓断路器的近区故障的影响。但是从得出来的结论中暂态恢复电压虽然减小了但是变化的幅度比较小，对于 这个 220kV 系统的模型来说，并联电阻对断路器近区故障的影响不大，但是可能会对低电压的系统造成比较 大的影响。 随着等值电阻的增大，暂态恢复电压，暂态恢复电压上升率，近区故障电流与近区故障冲击电流的相应 仿真结果值见表格 2。 表 2 等值电阻对断路器近区故障的影响 等值阻抗为 10000Ω
等值阻抗为 100000Ω
3.5*105
3.6*104
3.664*104
3.6641*104
暂态恢复电压上升率(kV/us)
1.6
1.718
1.75
近区故障冲击电(A)
0
0
0
3.2*10
近区故障电流(A)
5
等值阻抗为 0Ω
3.436*10
暂态恢复电压最大波峰值(V)
5
（2）保持线路长度变为 1km，等值电阻由（1）选定为 10000Ω（暂态变化下，时间极短，所以等值电 阻可以看作特定值）比较安装小型限流电感器 3.57mH 前后，对断路器的影响。 比较前后发现，加入这个小型的限流电感器，会有效的减少近区故障电流，但是会伴随着暂态恢复电压 的增大，上升率增大，有着明显的近区故障冲击电流，这个冲击电流巨大，上升速度极快，并且这个暂态恢 -3www.ivypub.org/eea
复电压的第一个波峰值来临的时间也延后，后续的震荡波形较为平整。 投入限流器前后对断路器近区故障的影响的仿真结果见表 3。 表 3 加入限流电感前后的仿真结果 加入限流电感 3.57mH 9
暂态恢复电压最大波峰值(V)
3.2*105
1.286*10 4
近区故障电流(A)
1*10
暂态恢复电压上升率(kV/us)
6430
未加入限流电感 3.57mH 3.6*104 1.6
4
近区故障冲击电(A)
2.9539*10
0
（3）等值电阻仍为 10000Ω，系统参数不变并安装小型限流电感器 3.57mH，在线路侧。逐渐增加线路 长度及改变输电线路模型。首先采用的输电线路模型为一相等值电缆模型，采用了每一千米的一段一段的接 线方式接成长线路（具体接线方式及模型见图 3），线路分别从 1km 增加到了 2km，5km，8km，及 0km，即无 输电线路长度。后一阶段采用的是架空线路的 π 型等效电路，见图 4，采用的是集合求解方式，直接改变了 仿真元件里的线路长度值，线路长度从 1km，增加到了 5km，50km。 增加输电线路长度，仿真两个输电线路模型后都发现，线路长度和模型的改变都会影响断路器的暂态恢 复电压波峰及其上升率，近区故障电流和近区故障冲击电流，并且加入限流器以后，都会使他们的近区故障 电流减小，暂态恢复电压的波峰值上升，上升率也增加，在最大的暂态恢复电压处也会产生近区故障冲击电 流。 相对而言，线路越长，断路器的暂态恢复电压越低，上升率也越低，近区故障电流也越小，对断路器的 影响也就越小。而当无外接线路的时候，断路器的暂态恢复电压最大值却稍微小于 1km 的线路，无外接线路 8
的时候近区故障电流与 1km 相比，电压高出了 10 V，近区故障电流低了 2000A 左右，电流的减小很小，而相 对应的电压却增加巨大，所以也论述了近区故障的一般特性，发生最严重的地方是在 1km 左右，即几百米到 几千米之间，而不是线路的最末端或者首段。 改变输电线路的模型。从一相等值电缆电路改变成为了 π 型等值电路，发现限流器对于 π 型等效电路 的影响要比一相等值电缆电路要小，暂态恢复电压，上升率与近区故障电流都较小。 具体的仿真结果与比较，详细见表 4 相等值电缆结果表 4 与 π 型等效电路的结果表 5。
图 3 一相等值线缆模型
图 4 架空线 π 型等效电路模型 -4www.ivypub.org/eea
表 4 相等值电缆结果表 线路长度 研究因素 暂态恢复电压最大波峰值(V) 近区故障电流(A) 暂态恢复电压上升率(kV/us) 近区故障冲击电(A)
1km
2km 9
5km 9
1.286*10 3*104 12860 2.9539*104
8km 9
1.229*10 2.792*104 12300 2.174*104
0km 8
1.0677*10 2.3437*104 10700 1.512*104
1.18*109 3.2*104 11870 1.68*104
9.0876*10 2*104 9087 1.2868*104
表 5 π 型等效电路仿真结果表 线路长度 研究因素 暂态恢复电压最大波峰值(V) 近区故障电流(A) 暂态恢复电压上升率(kV/us) 近区故障冲击电(A)
1km
10km
50km
-1.11*109 2.7828*104 11100 1.5731*104
2.8784*108 7153 2878 4080
3.7673*107 1622 376.73 533.532
（4）保持线路长度为 1km，采用一相等值电缆电路，断路器等值电阻及其余的参数都不变，而限流电感 值从 3.57mH、57.17mH、100mH、200mH 到 1H 逐渐增大。 仿真后发现，限流电感值的增大使断路器的暂态恢复电压的波峰与暂态恢复电压的上升率先增大而后减 小，并且当出现巨大的暂态恢复电压时，会出现严重的近区故障冲击电流，这个电流值很大超过了断路器能
暂态回复电压的最大 波峰值/1000KV
忍受的最大开断电流。仿真结果以折线统计图表示，这样可以看出具体的参数变化趋势，见图 5 及 6。 12 10 8 6 4 2 0 0mH
3.57mH
14.29mH
57.18mH 电感值
100mH
200mH
1000mH
图 5 当输电线路长度相同时暂态恢复电压的最大波峰值与电感值的关系 5
5
注：上述的 10 与 11 指的是该数据大于了 10*10 V 与 10*10 kV/us，这样方便图标描述。这两个大于 10 5
的数据为：3.57mH 暂态回复电压的上升率 12860 kV/us 与最大波峰值 12860*10 V，14.29mH 时的暂态回复电 5
压的上升率 27900 kV/us 与最大波峰值 27900*10 V。既而言之这个数据只是为了表现上升的趋势。
电流最大值/10Ka
4 3
近区故障 近区故障
2 1 图 6 当输电线路长度相同时近区故障电流最大值与电感值的关系
0 0mH
（5）以（4）中的研究为基础，增加输电线路长度到 5km 后，逐渐增大限流电感。 -53.57mH 14.29mH www.ivypub.org/eea
57.18mH 电感值
100mH
仿真后发现，在第三步骤中已经很明确了线路长度对断路器近区故障的影响，增加线路长度以后会明显 的降低对断路器的压力，逐渐增大限流电感后，不论电感取哪一个值，相对相同值取在 1km 的电路都会对断 路器在近区故障的影响较小。随着限流电感值的增大 5km 的线路和 1km 的线路结论类似，暂态恢复电压都是 先增大而后减小，并且近区故障电流逐渐的减小。随着暂态恢复电压的最大值的出现，尤其是在电感值为 3.57mH、14.29mH，会产生很大的冲击电流，暂态恢复电压的第一个波峰的来临时间也推迟了 0.00028s。仿
暂态恢复电压的最大波 峰值/100Kv
真结果以折线统计图表示，这样可以看出具体的参数变化趋势，见图 7 及图 8。 12 10 8 6 4 2 0 0mH
3.57mH
14.29mH
57.18mH
100mH
200mH
1000mH
电感值 图 7 不同限流电感在同一输电线长度，与其暂态恢复电压关系图 5
5
注：上述 10 与 11 指的是该数据大于了 10*10 V 与 10*10 kV/us，这样方便图标描述。这两个大于 10 的 5
数据为：3.57mH 暂态回复电压的上升率 1228 kV/us 与最大波峰值 1228*10 V，14.29mH 时的暂态回复电压的 5
上升率 21000 kV/us 与最大波峰值 21900*10 V。既而言之这个数据只是为了表现上升的趋势。
电流最大值/10ka
3
近区故障电流最大值 近区故障电流冲击最大值
2.5 2 1.5 1 0.5 0 0mH
3.57mH
14.29mH
57.18mH
100mH
200mH
1000mH
电感值 图 8 不同限流电感在同一输电线长度与其近区故障电流，冲击电流的关系图
（6）综合上述五种条件下的计算，比较上述五种因素对断路器的影响程度。 通过比较，改变参数后的断路器的下次变化量和未改变参数前的上次变换量，得出有效的倍数比例，从 而清晰的得出改变参数后对断路器产生的影响。将上述的五个研究步骤归纳为七个研究序号进行对比。研究 序号 1：保正线路长度不变，无限流电感器后，增加等值电阻（10kΩ 到 100kΩ）的前后对比。研究序号 2： 选定等值电阻，保持线路长度不变，加入限流电感器(3.57mH)前后对比。研究序号 3：保持等值电阻和限流 电感器的不变，对于一相等值电路模型，选定线路长度 1km 和 8km 的前后对比。研究序号 4：与序号 3 条件 相同，但是选用π型等值电路，线路长度 1km 和 10km 的前后对比。研究序号 5 到 7：等值电阻不变，线路长 度为 1km，等值电路为一相等值电路，分别比较由无电感情况下和增加电感值为 14.29mH，57.18mH，100mH。 由于上述的（4）（5）对断路器的影响相同，所以统一比较。 使用任意线路等值模型，短路故障点越远与增加大于 3.57mH 的电感都可以使断路器开断的四个因素减 小，并且投入适当的限流电感器比考虑短路故障点的远近要更有效果，然而不适当的限流器虽然仍然有效的 -6www.ivypub.org/eea
减少近区故障电流，但是暂态恢复电压对断路器影响却很大。此外等值电阻对线路的影响最小。说明投入合 适的限流电感器是最佳选择。 表 6 八种研究下的变化量 研究序号 研究因素 暂态恢复电压最大波峰值
1
2
3
4
增加 0.074 倍
增加 4017 倍
减小 0.29 倍
减小 0.74 倍
近区故障电流
0
减小 0.72 倍
减小 0.33 倍
减小 0.74 倍
暂态恢复电压上升率
增加 0.074 倍
增加 4017 倍
减了 0.29 倍
减小 0.74 倍 减小 0.74 倍
近区故障冲击电 研究序号 研究因素 暂态恢复电压最大波峰值
0
增加 3*10 A
减小 0.56 倍
5
6
7
增加 1.2 倍
减小 0.99 倍
增加 0.06 倍
减小 0.72 倍
减小 0.62 倍
减小 0.38 倍
暂态恢复电压上升率
增加 1.2 倍
减了 0.99 倍
增加 0.06 倍
近区故障冲击电
减小 36.5 倍
减小至 0
无变化
近区故障电流
3
4
结论 对于本文中的模型，最适合的加入的限流电感值为 57.17mH，也可以取比这个值较大的限流器值，加入
这个限流电感值，当故障发生在 1km 的时候，可以抑制暂态恢复电压的最大波峰值从 320kV 下降到 228kV， 并且近区故障电流从 36.6kA 抑制到了 7.826kA，不存在近区故障冲击电流，有着明显保护断路器的作用。根 据系统参数与系统模型选择适当的限流器，不仅可以有效的减缓近区故障电流，也可以有效的减缓暂态恢复 电压及其的上升率，保护断路器。本论文的研究特色如下：1）研究了加入限流器后的输电线路模型采用的 是一相等值电路的分段式的连接，由于断路器的暂态恢复电压与系统参数的分布有紧密的联系，尤其是对于 每公里线路的电感成分，每一时间段的各个输电线路的电感的电压和电流都不相同，所以采用分段式，不仅 可以得到最合理的结果，而且可以使结果更加精细。2）采用不同的输电线路的模型，考虑模型差别对断路 器暂态变化的影响，并且弥补了一相等值电路无线路电阻的情况 3）通过六个部分的分析，得出限流器对于 断路器近区故障影响的同时，还得出了对断路器的等值电阻，线路长度变化以及近区故障电流特性。4）本 文采用的 Marlab 的 Simulink 仿真，相比于普通的差分方程方法，可以清楚的比较电源和暂态恢复电压的波 形差异和区别，比较各个线路中电压的分布，并且很明确的表现细小的电感延迟性。
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Guozheng Xu. The Principle and Technology of High Voltage Circuit Breaker. [M]. Beijing: Tsinghua University Press. 2000.
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【作者简介】 畅洋洋（1990- ），男，汉， 2013 年 7 月毕业于上海市电力学院，获得工学学士学位。变电站设计，柔性直流输电与分布式 发电技术。Email: cyy90@163.com
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