范德和，李新海，肖星，孟晨旭，周恒，曾令誠，林蔚，梁景明

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局，廣東 中山 528400)

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，我國電網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大，電網(wǎng)系統(tǒng)容量也持續(xù)增長，電網(wǎng)系統(tǒng)短路電流超過斷路器額定遮斷容量的問題日趨嚴峻[1-3]。當(dāng)變電站10 kV母線短路電流超標(biāo)時，10 kV饋線斷路器開斷超標(biāo)的短路電流將可能引發(fā)斷路器爆炸、電氣設(shè)備損壞、上級主變壓器(簡稱“主變”)低壓側(cè)后備保護越級跳閘、10 kV母線失壓等電力安全事件，造成重大的經(jīng)濟損失和不良的社會影響[2-5]。

目前電網(wǎng)系統(tǒng)變電站普遍采用在變壓器10 kV側(cè)串聯(lián)常規(guī)限流電抗器或高阻抗變壓器的方法限制10 kV母線短路電流；受制于電抗器的電壓損失不能大于5%母線額定電壓的設(shè)計規(guī)范要求，在10 kV母線短路電流超標(biāo)時，上述方法仍存在系統(tǒng)壓降、電能損耗增加和限流深度不足等問題[6-10]。為此，文獻[11]從電力系統(tǒng)運行方式角度出發(fā)，提出分區(qū)運行方式，增大系統(tǒng)運行阻抗從而減小短路電路，但在實際中由于設(shè)備檢修的需要，不得不面對主變及母線并列運行的電網(wǎng)運行方式。文獻[12]提出采用“爆炸式”高速開關(guān)并聯(lián)電抗器的方案，但每次發(fā)生短路故障、裝置動作后，載流橋體和熔斷器無法自動恢復(fù)，需要設(shè)備停電重新更換，增加了設(shè)備維護工作量和運行成本。文獻[13-15]介紹了一種新型橋路高溫超導(dǎo)故障限流器，但此限流器超導(dǎo)材料昂貴，技術(shù)復(fù)雜，投資成本較高且可靠性仍需考證。

針對上述問題，本文從技術(shù)可行性與經(jīng)濟性等方面綜合考慮，研究了一種快速、可靠動作的10 kV零損耗深度限流裝置技術(shù)[16]。在系統(tǒng)正常時，10 kV零損耗深度限流裝置“零阻抗、零損耗、零壓降”運行；在系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，10 kV零損耗深度限流裝置可智能、快速、深度地限制短路電流，保障了變電站10 kV斷路器的安全可靠運行。文中在介紹了10 kV零損耗深度限流裝置的安裝接線及工作原理的基礎(chǔ)上，詳細闡述了10 kV零損耗深度限流裝置關(guān)鍵技術(shù)，并通過220 kV同益變電站的實例運用，驗證了該技術(shù)的有效性。

1 10 kV零損耗深度限流裝置原理

1.1 10 kV零損耗深度限流裝置安裝接線

圖1所示為常規(guī)限流電抗器安裝接線方式，在變壓器10 kV側(cè)串聯(lián)常規(guī)限流電抗器，增大系統(tǒng)阻抗而限制10 kV母線短路電流。正常運行時限流電抗器的投入運行，導(dǎo)致產(chǎn)生系統(tǒng)壓降和功率損耗，增加了10 kV母線無功補償投入成本以及運行成本。

圖1 常規(guī)限流電抗器安裝接線圖

圖2所示為10 kV零損耗深度限流裝置安裝接線方式，在變壓器10 kV側(cè)串聯(lián)零損耗深度限流裝置。正常運行時斷路器處于合閘狀態(tài)，短接限流電抗器，裝置處于“零阻抗、零損耗、零壓降”狀況；10 kV母線近區(qū)短路故障時(d0位于限流裝置的主變側(cè)，故障d1位于限流裝置的負荷側(cè))，斷路器快速分閘，投入限流電抗器，將10 kV母線短路電流限制在10 kV斷路器遮斷容量范圍內(nèi)。

圖2 10 kV零損耗深度限流裝置安裝接線圖

1.2 10 kV零損耗深度限流裝置工作原理

10 kV零損耗深度限流裝置一次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 10 kV零損耗深度限流裝置一次結(jié)構(gòu)

該裝置由快速斷路器與限流電抗器并聯(lián)組成，經(jīng)L1、L2點串聯(lián)在變壓器10 kV側(cè)與10 kV母線之間。其中快速斷路器為基于渦流驅(qū)動技術(shù)的快速真空斷路器，作為分相控制器的執(zhí)行部件；而分相控制器則作為控制快速真空斷路器分合的控制部件。該裝置主要實現(xiàn)如下功能：

a)正常運行時，限流裝置采樣電流為負荷電流，其快速斷路器合閘，將限流電抗器短接，限流裝置阻抗為零，按“零損耗、零壓降”狀態(tài)運行；

b)限流裝置負荷側(cè)發(fā)生10 kV母線近區(qū)短路故障時，限流裝置采樣電流突變上升為短路電流，分相控制器快速識別故障并在故障發(fā)生后20 ms內(nèi)將快速斷路器分閘，投入限流電抗器，限流裝置由零阻抗?fàn)顟B(tài)切換為高阻抗?fàn)顟B(tài)，按設(shè)計限流深度限制10 kV母線短路電流；

c)當(dāng)10 kV保護動作切除10 kV母線近區(qū)短路故障后，限流裝置采樣電流突變下降為負荷電流，15 ms內(nèi)限流裝置快速斷路器合閘，將限流電抗器短接，限流裝置由高阻抗切換為零阻抗，自動恢復(fù)正常運行。

該裝置的限流電抗器屬于短時工作方式，僅在短路故障發(fā)生時投入，故限流電抗器可按深度限流設(shè)計，根據(jù)不同應(yīng)用場景的要求定制阻抗值。在系統(tǒng)最大運行方式下故障時投入電抗器達到深度限流，可有效地降低短路電流對變壓器、斷路器等設(shè)備的沖擊，防止短路電流超過10 kV斷路器的額定遮斷容量。

2 10 kV零損耗深度限流裝置關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于渦流驅(qū)動的快速真空斷路器技術(shù)

快速真空斷路器結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括真空滅弧室和渦流驅(qū)動機構(gòu)[17]2個部分。其中，真空滅弧室主要由靜觸頭、動觸頭、上拉桿、波紋管及瓷套等組成。渦流驅(qū)動機構(gòu)主要由拉桿絕緣子、下拉桿、合閘保持永磁鐵、銜鐵、分閘保持永磁鐵、分閘線圈、渦流盤、合閘線圈、分閘儲能電容、合閘儲能電容及充電電源組成。

限流裝置帶電后充電電源向合(分)閘儲能電容充電。當(dāng)快速真空斷路器接到控制器合(分)閘命令后，立即觸發(fā)導(dǎo)通相應(yīng)的可控硅，已充電的儲能電容向合(分)閘線圈放電，產(chǎn)生一個持續(xù)時間很短的脈沖電流，處在脈沖磁場中的渦流盤因感應(yīng)渦流而受到強大的推力，并通過拉桿帶動真空滅弧室中的動觸頭完成合(分)閘動作，并由合(分)閘保持永磁鐵吸合銜鐵保持斷路器在合(分)閘位置。

快速真空斷路器具有開斷速度快、動作時間分散度小、開斷能力強、機械壽命長的優(yōu)點[18]。其分閘時間不大于5 ms、分閘時間分散度小于±0.2 ms、額定開斷短路電流為40 kA、最大開斷電流不小于80 kA、額定短路電流下連續(xù)分斷操作次數(shù)大于100，機械壽命(操作次數(shù))大于10 000次。

圖4 快速真空斷路器結(jié)構(gòu)

快速真空斷路器各分相控制器配置了4套分、合閘儲能電容，在分(合)快速真空斷路器時，依次循環(huán)充電、放電，使其在10 kV線路短時間內(nèi)發(fā)生多次故障時，可配合線路保護重合閘，投入限流電抗器，從而限制短路電流。

2.2 深度限流電抗器阻抗值計算

深度限流電抗器計算模型如圖5所示，系統(tǒng)額定電壓為Ue，系統(tǒng)阻抗為X0，安裝的深度限流電抗器阻抗值為X1。

圖5 深度限流電抗器計算模型

當(dāng)系統(tǒng)d0處發(fā)生短路故障時，d0處短路電流

安裝零損耗深度限流裝置后，根據(jù)應(yīng)用原則，將系統(tǒng)d1處短路電流限制到kId0(k為百分數(shù))，則深度限流電抗器阻抗值

2.3 “零前分閘”相控技術(shù)

目前，變電站10 kV斷路器普遍采用彈簧機構(gòu)驅(qū)動的真空斷路器，其分閘時間為20～30 ms[19-21]。當(dāng)發(fā)生10 kV系統(tǒng)短路故障時，故障持續(xù)時間為保護裝置動作出口時間與斷路器分閘時間之和，其值至少在40 ms以上[22-23]，短路電流持續(xù)時間較長，增加了故障電流對設(shè)備沖擊的不良影響。零損耗深度限流裝置“零前分閘”相控技術(shù)可在故障電流達到裝置動作定值后20 ms內(nèi)，且在短路電流過零點時刻投入限流電抗器，將超標(biāo)的短路電流限制在安全范圍內(nèi)。

零損耗深度限流裝置“零前分閘”相控技術(shù)基于故障電流快速判斷、過零點預(yù)測與分相控制技術(shù)，并結(jié)合渦流驅(qū)動的快速真空斷路器技術(shù)[24-26]。零損耗深度限流裝置分相控制器分閘控制流程如圖6所示，裝置通過采樣實時電流值及電流變化率，利用數(shù)據(jù)擬合，可在3 ms內(nèi)實現(xiàn)短路電流的快速判斷，之后根據(jù)正弦基波特點預(yù)測短路電流的過零時刻，結(jié)合快速真空斷路器固有分閘時間，在電流過零時刻前觸發(fā)對應(yīng)相別的分閘命令，觸發(fā)導(dǎo)通相應(yīng)的晶閘管，準(zhǔn)確控制對應(yīng)相別的快速真空斷路器在短路電流過零前分閘。

圖6 分閘控制流程圖

零損耗深度限流裝置檢測到故障電流大于動作定值后20 ms內(nèi)，可完成深度限流電抗器的投入，采用“零前分閘”相控技術(shù)確保在10 kV故障線路斷路器分閘之前將超標(biāo)的短路電流限制在10 kV斷路器額定遮斷電流以下，同時也減少了短路電流對其他運行設(shè)備的持續(xù)沖擊，保障了設(shè)備安全。

3 應(yīng)用實例

本文提出的10 kV零損耗深度限流裝置技術(shù)已成功安裝應(yīng)用于廣東省中山供電局220 kV同益變電站(以下簡稱“同益站”)3臺變壓器的10 kV側(cè)，將超標(biāo)的10 kV母線短路電流限制在10 kV斷路器額定遮斷電流31.5 kA以下，保障了系統(tǒng)、設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。

3.1 變電站實施前概況

同益站一次接線如圖7所示，主變?nèi)萘繛?×240 MV·A，3臺主變10 kV側(cè)已安裝了電抗率為10%(對應(yīng)電抗值為0.144 Ω)、額定電流為4 kA的常規(guī)限流電抗器。

圖7 同益站一次接線圖

同益站主變10 kV母線短路電流數(shù)據(jù)見表1，當(dāng)2臺或者3臺主變并列運行時，10 kV母線短路電流將大于10 kV饋線斷路器額定遮斷電流，系統(tǒng)中原配置的主變10 kV側(cè)串聯(lián)電抗器限流深度不滿足主變并列運行的要求，同益站3臺主變需分列運行，降低了10 kV系統(tǒng)供電可靠性。

表1 同益站10 kV母線短路電流數(shù)據(jù)

注：10 kV饋線斷路器額定遮斷電流為31.5 kA。

3.2 阻抗值計算

同益站10 kV零損耗深度限流裝置一次安裝接線如圖8所示，深度限流裝置串聯(lián)安裝在主變10 kV側(cè)與10 kV母線之間。

圖8 同益站10 kV零損耗深度限流裝置一次安裝接線圖

由表1可知，同益站3臺主變并列時10 kV母線短路電流為48.1 kA。為確保3臺主變并列運行時10 kV母線短路電流不超過10 kV饋線斷路器額定遮斷容量(31.5 kA)，單臺主變流入10 kV母線短路電流設(shè)定在Id=10 kA，已知變壓器低壓側(cè)等值阻抗X3=21.665 Ω，給定基準(zhǔn)功率SB=100 MV·A，UB=10.5 kV，可知10 kV系統(tǒng)基準(zhǔn)電流[27]

則總電抗(標(biāo)幺值)

主變低壓側(cè)低壓側(cè)等值阻抗(標(biāo)幺值)

加裝的限流電抗器電抗值(標(biāo)幺值)

Xk*=Xz*-X3*=0.46.

加裝的限流電抗器電抗值

因此，將同益站10 kV零損耗深度限流裝置的限流電抗器電抗值設(shè)計為0.507 Ω，可確保最大運行方式下10 kV母線短路電流不超標(biāo)。

3.3 限流動作情況分析

同益站3套10 kV零損耗深度限流裝置動作定值整定為12.6 kA，裝置自2015-11-10日至2018-12-31日運行期間，10 kV線路發(fā)生短路故障35次，零損耗深度限流裝置因10 kV線路短路電流達到動作定值而可靠動作投入限流電抗器6次，其具體動作情況見表2，其余因短路電流未達到動作定值均可靠不動作無需投入限流電抗器，裝置動作正確率為100%。

表2 同益站10 kV零損耗深度限流裝置動作情況表

圖9為2016-07-15日同益站10 kV 710線路發(fā)生BC相相間短路故障時，1號主變10 kV側(cè)故障電流錄波波形。

由圖9可知：在t1=96 ms時刻10 kV系統(tǒng)發(fā)生了BC相間短路；在t2=100 ms時刻(即發(fā)生故障后4 ms)B相電流瞬時值陡增至20.5 kA(對應(yīng)有效值14.5 kA)，大于裝置動作定值(12.6 kA)，此時裝置啟動；t3=108 ms時刻約為首半周波過零點時刻，即裝置啟動后8 ms左右，裝置投入限流電抗，其后半周波較前半周波電流明顯下降；在t4=123 ms時刻故障電流瞬時值已降至13.4 kA(對應(yīng)有效值9.5 kA)；在t5=168 ms時，即故障發(fā)生后72 ms，10 kV 710線路保護動作跳閘將故障隔離，1號主變10 kV側(cè)電流恢復(fù)至工作電流。

圖9 10 kV 710線路BC相短路時主變故障錄波圖

由此可知，在10 kV系統(tǒng)發(fā)生需限流的BC相相間短路故障后，10 kV零損耗深度限流裝置約在8 ms內(nèi)投入了限流電抗器，將故障電流由最大的19.7 kA(對應(yīng)B相最大峰值電流27.9 kA)降為9.5 kA，遠小于10 kV饋線斷路器額定遮斷容量(31.5 kA)，限流深度達到51.8%，有效降低了短路電流對電網(wǎng)設(shè)備的沖擊效應(yīng)，相對提升了變壓器、斷路器抗短路沖擊能力。

4 結(jié)束語

文中介紹了一種10 kV零損耗深度限流裝置，正常運行時該裝置不投入限流電抗器，當(dāng)發(fā)生需限流的10 kV短路故障時，該裝置在短路故障發(fā)生后20 ms內(nèi)，按設(shè)計限流深度將超標(biāo)的短路電流限制在設(shè)備允許范圍內(nèi)，解決了以往限流設(shè)備在運行時系統(tǒng)壓降、電能損耗增加、限流深度和可靠性不足的問題。

該裝置在中山供電局220 kV同益站的應(yīng)用實例，證明了其在10 kV母線近區(qū)短路故障時可有效地限制短路電流，保障了設(shè)備安全運行，提高了10 kV系統(tǒng)供電可靠性。