李新海，孟晨旭，曾令誠，曾慶祝，肖星，梁景明，曾新雄

(廣東電網(wǎng)有限責任公司中山供電局，廣東 中山 528400)

隨著電網(wǎng)的發(fā)展，電網(wǎng)裝機容量的快速增加使得電網(wǎng)短路電流大幅升高，很多地區(qū)已經(jīng)或?qū)⒁霈F(xiàn)超出現(xiàn)有斷路器的遮斷容量或選取不到所需的大遮斷容量斷路器的情況。當短路電流超過斷路器的最大遮斷容量時，在斷路器開斷短路電流的過程中，可能會因滅弧室無法滅弧，導致爆炸、短路、越級跳閘事件發(fā)生[1-2]；同時，超標的短路電流沖擊變壓器設備，將引起繞組發(fā)熱、變形、絕緣擊穿、短路、甚至損壞變壓器等嚴重后果[3-4]，從而影響供電可靠性。

為解決上述短路電流超標引發(fā)的問題，以往主要采取了以下限流措施：①將原電壓等級的網(wǎng)絡進行分層分區(qū)，可有效減小短路電流；但其缺點是改變系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲，犧牲系統(tǒng)可靠性[5]。②將變電站母線分列運行，使系統(tǒng)阻抗增大，從而減小短路電流；但其改變了系統(tǒng)電氣的連接性，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運行，降低了可靠性[6]。③采用高阻抗變壓器或發(fā)電機，可減小系統(tǒng)短路電流；但會使發(fā)電機自身產(chǎn)生相位差而不利于系統(tǒng)運行[7]。④投入串聯(lián)電抗器可使系統(tǒng)短路電流變??；但其限流深度不夠，且使電力系統(tǒng)線路及設備損耗增大，并帶來壓降問題[8-9]。

以上措施是以犧牲電網(wǎng)的安全性、可靠性和經(jīng)濟性為代價的，且并未最終解決限流深度的問題。針對限流深度的問題，許多科研機構(gòu)開展了深度限流技術(shù)的研究：①新型橋路高溫超導故障限流器[10-11]利用橋路控制變壓器型超導限流器限制短路電流，系統(tǒng)在正常運行時，副邊處于短接超導狀態(tài)，變壓器原邊串接在限流電路中；因此，系統(tǒng)正常運行時存在電壓降和功率損耗，且其存在系統(tǒng)復雜、維護困難、占地面積大、失超恢復慢的缺點，未得到推廣應用。②磁控開關型故障限流器[12]是根據(jù)控制變壓器鐵心在深度飽和時交流線圈呈低阻抗狀態(tài)、在非飽和狀態(tài)運行時交流線圈呈高阻抗特性的原理設計而成；因此，串接在限流電路中的交流線圈存在電壓降及功率損耗的缺點，且該限流器還處于試驗樣品階段。③電力電子型斷路器雖然能滿足大電流投切、反應速度快等技術(shù)參數(shù)，但其應用受制于其本身容量、造價等參數(shù)影響[13-15]，常運用于直流輸電系統(tǒng)中，不適用于限流器的開斷。因此研發(fā)一種日常運行零損耗、能深度限制短路電流、能大規(guī)模推廣應用的限流裝置是十分必要的[16]。

本文針對現(xiàn)階段限流電抗器限流深度不足、占地面積大、設備損耗大的缺點，提出并研發(fā)了一種110 kV GIS型零損耗深度限流裝置，該裝置采用氣體絕緣金屬封閉開關設備(gas insulated metal-enclosed switchgear，GIS)一體化設計，在正常運行時“零損耗、零壓降”，故障時快速智能深度限流，有效地解決了電網(wǎng)系統(tǒng)現(xiàn)有其他限流措施存在的問題。

1 110 kV GIS型零損耗深度限流裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能設計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

110 kV GIS型零損耗深度限流裝置由控制系統(tǒng)、限流單元和工作電源組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計如圖1所示。

a)控制系統(tǒng)：包括監(jiān)控子站、中繼控制器和三相分相控制器，其中監(jiān)控子站安裝在中控柜中，中繼控制器安裝在匯控箱中，分相控制器安裝在GIS型零損耗深度限流裝置的分相機構(gòu)箱內(nèi)。監(jiān)控子站通過光纖與中繼控制器通信，中繼控制器通過光纖與各分相控制器通信。監(jiān)控子站可采集、顯示各相限流單元的快速真空斷路器狀態(tài)信息并可維護定值，通過中控柜給變電站公用測控裝置提供數(shù)據(jù)接口和信號硬接點，將限流裝置的運行狀態(tài)信息、裝置動作及故障告警信息上送至變電站后臺監(jiān)控機和調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)。分相控制器采用相控技術(shù)，控制各相限流單元投退限流電抗器，見圖1。

圖1 110 kV GIS型零損耗深度限流裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure of 110 kV GIS typed zero loss depth current limiting device

b)限流單元：由快速真空斷路器、限流電抗器、羅克電流互感器(current transformer，CT)、返回CT、分相控制器組成。分相控制器通過返回CT采集正常電流，通過羅克CT采集短路電流，判斷限流單元保護范圍內(nèi)是否存在短路故障?？焖僬婵諗嗦菲髋c深度限流電抗器并聯(lián)后串聯(lián)在需要限流的回路中，分相控制器通過控制快速真空斷路器分合即可控制限流電抗器投退，在短路故障時將系統(tǒng)短路電流限制在設計值內(nèi)。限流單元結(jié)構(gòu)設計如圖2所示。

圖2 限流單元結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of current limiting cell

c)工作電源：由控制電源和儲能電源組成。其中控制電源采用站用直流電源系統(tǒng)DC 220 V/DC 110 V不間斷供電。儲能電源采用站用交流電源系統(tǒng)AC 220 V供電，通過隔離變壓器升至1 kV，給快速真空斷路器分合閘儲能電容充電。

1.2 功能設計

110 kV GIS型零損耗深度限流裝置適用于110 kV及以下電壓等級限流，其控制邏輯如圖3所示，實現(xiàn)以下主要功能：

a)正常運行時，限流裝置快速真空斷路器合閘，將限流電抗器短接，該裝置阻抗為零，在“零壓降、零損耗”狀態(tài)下運行；

b)限流裝置負荷側(cè)發(fā)生需要限流的短路故障時，故障后20 ms內(nèi)該裝置的快速真空斷路器分閘，投入限流電抗器，該裝置由零阻抗切換為高阻抗，將系統(tǒng)短路故障電流限制在設備允許的安全范圍內(nèi)；

c)當限流裝置負荷側(cè)短路故障切除后，35 ms內(nèi)限流裝置的快速真空斷路器合閘，將限流電抗器短接，該裝置由高阻抗切換為零阻抗，自動恢復正常運行狀態(tài)。

圖3 限流單元控制動作流程Fig.3 Control action flowchart of current limiting cell

2 110 kV GIS型零損耗深度限流裝置關鍵技術(shù)

2.1 一體化設計的GIS結(jié)構(gòu)技術(shù)

110 kV GIS型零損耗深度限流裝置采用一體化設計的GIS結(jié)構(gòu)技術(shù)，將快速真空斷路器、限流電抗器、屏蔽罩、導電桿、CT、套管及電纜終端等元件組合安裝在GIS罐體內(nèi)，形成SF6GIS，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。裝置主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖4 110 kV GIS型零損耗深度限流裝置GIS結(jié)構(gòu)Fig.4 GIS structure of 110 kV GIS typed zero loss depth current limiter

126 kV1 250 A50 HZ(3 s)1 min230 kV550 kV20 kA>100>10 000<5 ms-0.2～0.2 ms<20 ms-0.5～0.5 ms

110 kV GIS型零損耗深度限流裝置采用GIS結(jié)構(gòu)設計的主要優(yōu)點為：

a)結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積約11 m2，重量約12 t，對地基載荷要求小。

b)快速真空斷路器操動機構(gòu)為電磁斥力機構(gòu)，無油壓或氣壓驅(qū)動系統(tǒng)，運行可靠性高，且其分閘時間小于5 ms，遠小于國內(nèi)廠家(新東北、北京北開、山東泰開、日新電機、山東魯能)GIS斷路器17～36 ms的分閘時間，可滿足快速投入限流電抗器的要求。

c)采用整間隔運輸，安裝工作量小，周期短，安裝費用低。

d)所有導電件、絕緣件均被密封在金屬殼體內(nèi)，不受外界環(huán)境的干擾和侵蝕，性能穩(wěn)定，壽命長，檢修維護工作量小。

e)高度約4.6 m，重心低，抗震性能好。

f)環(huán)境適應性強，適用于惡劣環(huán)境條件(如嚴重污穢、高海拔、多水霧、冰雹等)。

2.2 基于電磁斥力驅(qū)動的快速真空斷路器技術(shù)

快速真空斷路器由真空滅弧室和電磁斥力機構(gòu)組成，其中真空滅弧室包括瓷套、靜觸頭、動觸頭、上拉桿、波紋管等部件；電磁斥力[17]機構(gòu)包括充電電源、分/合閘儲能電容、分/合閘線圈、渦流盤、分/合閘保持永磁鐵、銜鐵、下拉桿、拉桿絕緣子等部件。具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 快速真空斷路器結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of quick vacuum circuit breaker

快速真空斷路器上電后充電電源向分/合閘儲能電容充電。分合閘控制采用晶閘管控制技術(shù)，在其接到斷路器分合閘命令后立即觸發(fā)晶閘管導通，使儲能電容對分/合閘線圈放電，產(chǎn)生極短時間的脈沖電流，分/合閘線圈磁通在渦流盤感應產(chǎn)生渦流，在電磁斥力的作用下渦流盤通過拉桿帶動斷路器動觸頭完成分/合閘動作，通過分/合閘保持永磁鐵吸合銜鐵將斷路器保持在分/合閘位置。渦流盤作用力方向與動觸頭運動方向同軸，無拐臂杠桿，驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，動能傳遞損耗小。

快速真空斷路器分閘時間小于5 ms，分閘時間分散度絕對值小于0.2 ms，額定開斷短路電流為20 kA，額定短路電流開斷次數(shù)大于100次，機械壽命大于10 000次，具有開斷速度快、開斷能力強、機械壽命長、動作分散度小的優(yōu)點。

快速真空斷路器與限流電抗器配合使用，可在故障后20 ms內(nèi)將斷路器分閘，投入限流電抗器，深度限制系統(tǒng)短路故障電流。

快速真空斷路器各分相控制器設計配置了4套分/合閘儲能電容且保持儲能冗余度，在發(fā)生間隔時間較短的多次故障時，可配合線路保護及重合閘裝置完成無限次連續(xù)分/合閘動作。

2.3 “零前分閘”相控技術(shù)

對于真空斷路器分閘，其觸頭剛分時在工頻電流自然過零熄弧的同時會產(chǎn)生恢復電壓，該電壓超過觸頭間的介質(zhì)絕緣恢復電壓時將發(fā)生電弧重燃，產(chǎn)生高頻電流，該高頻電流過零熄弧的同時會再次產(chǎn)生恢復電壓，該電壓超過觸頭間的介質(zhì)絕緣恢復電壓時將再次發(fā)生電弧重燃，如此重復多次，振蕩過程越來越強，重燃多次后過電壓可達極高幅值。隨著觸頭間距增大直到真正完成切斷，分閘重燃過電壓過高會造成設備絕緣破壞。

對于真空斷路器合閘，在觸頭相互接近的過程中會發(fā)生電弧多次重燃后熄滅，直到兩觸頭完全閉合為止。閉合過程中隨著觸頭間隙變小，極間耐壓下降，過電壓會被抑制；因此，合閘過電壓一般為電源電壓的1倍，在設備絕緣強度設計范圍內(nèi)可承受。

快速真空斷路器采用了“零前分閘”相控技術(shù)，可有效地提高電流過零時刻滅弧室絕緣恢復水平，提升其開斷容量。

“零前分閘”相控技術(shù)是基于短路電流快速識別技術(shù)、預測電流過零時刻技術(shù)及準確相控技術(shù)實現(xiàn)的[18-19]。利用最小二乘法算法[20-24]，裝置采樣電流并計算其瞬時值與變化率，快速甄別短路電流，確定短路電流的過零點[25]，結(jié)合斷路器分閘固有時間，在短路電流過零前發(fā)出分相分閘命令，精確控制對應相別斷路器在短路電流過零前分閘，使開關電流過零前的電弧燃燒量最??；同時快速真空斷路器分閘因速度快，在電流過零前可拉開更大的開距，防止電流過零后斷路器斷口被瞬態(tài)恢復電壓擊穿重燃，提升了快速真空斷路器的開斷容量。

快速真空斷路器在電流過零前分閘截流電弧燃燒量越小、在過零時刻開距越大，滅弧室絕緣恢復水平越高。在斷路器分閘速度固定的情況下，應取其平衡點確定分閘命令最佳發(fā)出時刻，保證斷路器過零后不重燃。

快速真空斷路器分閘時間分散度絕對值小于0.2 ms，一致性好，機械性能穩(wěn)定，可滿足“零前分閘”相控技術(shù)選型要求。

2.4 限流電抗器的電抗值計算

裝置的限流電抗器屬于短時工作方式，僅在短路故障發(fā)生時才投入，限流電抗器的阻抗值可以根據(jù)限流深度的需要進行設計選型。

已知系統(tǒng)電壓為U，系統(tǒng)阻抗為X0，當系統(tǒng)發(fā)生短路故障時短路電流IK=U/X0。安裝本深度限流裝置后，假設將短路電流限制到IK1，設限流電抗器的電抗值為X，當系統(tǒng)發(fā)生短路故障時IK1=U/(X0+X)，由此可求出限流電抗器的電抗值X。

2.5 故障錄波分析技術(shù)

監(jiān)控子站設計有故障錄波功能，故障錄波數(shù)據(jù)為標準COMTRADE格式，可在裝置動作后記錄裝置動作、開關變位、電抗器投退、交流電流采樣等開關量和電氣量數(shù)據(jù)變化情況。故障錄波數(shù)據(jù)可導入計算分析軟件MATLAB中，對故障波形數(shù)據(jù)進行進一步的計算分析，評價限流裝置是否正確動作。如果限流裝置不正確動作，則將故障錄波電氣量數(shù)據(jù)導入支持標準COMTRADE格式的繼保儀，對故障波形進行重現(xiàn)，再次輸入到控制器中，以配合分析測試。

3 110 kV GIS型零損耗深度限流裝置技術(shù)應用實例

本文研發(fā)的110 kV GIS型零損耗深度限流裝置成功安裝應用于220 kV小欖變電站(以下簡稱“站”)110 kV小山線線路側(cè)，該裝置可以智能、快速、深度地將110 kV小山線供電的110 kV龍山站、永寧站10 kV母線短路電流限制在10 kV開關額定遮斷容量的90%范圍內(nèi)，確保了10 kV設備安全可靠運行和運行人員的人身安全。

3.1 實施背景

220 kV小欖站110 kV小山線供電2臺110 kV主變壓器(以下簡稱“主變”)，分別為110 kV龍山站2號主變和110 kV永寧站3號主變，主接線如圖6所示。

隨著系統(tǒng)容量增大，上述2臺主變與相鄰主變的10 kV側(cè)并列運行時，10 kV母線短路電流超標的情況比較嚴重，大于龍山站、永寧站10 kV開關額定遮斷電流(見表2)，導致10 kV母線不能長期并列運行，或10 kV母線短時不停電并列轉(zhuǎn)供電操作存在較高的設備風險，降低了10 kV用戶供電可靠性。

表2 10 kV母線短路電流超標統(tǒng)計表Tab.2 Statistics of excessive short circuit current of 10 kV bus

注：10 kV饋線開關額定遮斷電流為31.5 kA。

圖6 110 kV小山線主接線圖Fig.6 Main wiring diagram of 110 kV Xiaoshan line

3.2 限流方案

受空間限制，110 kV龍山站、永寧站主變10 kV側(cè)不能加轉(zhuǎn)固定限流電抗器或零損耗深度限流裝置，因此設計在220 kV小欖站110 kV小山線線路側(cè)解口串入110 kV GIS型零損耗深度限流裝置(如圖7所示)，將110 kV龍山站、永寧站10 kV母線最大短路電流限制在10 kV斷路器額定遮斷電流31.5 kA的90%以下，即限后電流為28.35 kA。按第2.4節(jié)內(nèi)容計算得知限流電抗器的阻抗值為22.85 Ω。

圖7 110 kV GIS型零損耗深度限流裝置安裝接線圖Fig.7 Wiring installation diagram of 110 kV GIS typed zero loss depth current limiting device

因110 kV GIS型零損耗深度限流裝置安裝于110 kV小山線線路側(cè)，該裝置將承受110 kV龍山站、永寧站110 kV側(cè)和10 kV側(cè)短路故障的短路電流。由于110 kV側(cè)短路電流不超標，所以要求零損耗深度限流裝置僅在110 kV龍山站、永寧站10 kV側(cè)短路電流超標時可靠動作，其余短路故障均可靠不動作。

3.3 應用情況

上述110 kV GIS型零損耗深度限流裝置于2016年12月投入運行，裝置運行情況穩(wěn)定。投運至今110 kV龍山站、永寧站10 kV側(cè)及110 kV小山線分別發(fā)生多次短路故障，限流裝置均按設計目標可靠響應。

4 結(jié)束語

本文對電力系統(tǒng)短路電流超標帶來的危害進行了分析，設計了新型的110 kV GIS型零損耗深度限流裝置，該裝置正常情況下按“零損耗、零壓降”運行，短路電流超標時20 ms內(nèi)投入限流電抗器，按設計值深度限制短路電流，有效降低了短路電流對變壓器、斷路器等設備的沖擊。

該裝置具備快速響應、節(jié)能、占地面積小、可靠性高、易實施、運行維護方便的優(yōu)點，適用于110 kV及以下電壓等級零損耗深度限流的應用，對系統(tǒng)節(jié)能降耗、提高電壓質(zhì)量、降低電網(wǎng)和設備風險的技術(shù)發(fā)展有著積極推動作用。