范德和，李新海，肖星，孟晨旭，周恒，曾令誠，林蔚，梁景明

(廣東電網有限責任公司中山供電局，廣東 中山 528400)

隨著社會經濟發(fā)展，我國電網系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大，電網系統(tǒng)容量也持續(xù)增長，電網系統(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]。當變電站10 kV母線短路電流超標時，10 kV饋線斷路器開斷超標的短路電流將可能引發(fā)斷路器爆炸、電氣設備損壞、上級主變壓器(簡稱“主變”)低壓側后備保護越級跳閘、10 kV母線失壓等電力安全事件，造成重大的經濟損失和不良的社會影響[2-5]。

目前電網系統(tǒng)變電站普遍采用在變壓器10 kV側串聯(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%母線額定電壓的設計規(guī)范要求，在10 kV母線短路電流超標時，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，但在實際中由于設備檢修的需要，不得不面對主變及母線并列運行的電網運行方式。文獻[12]提出采用“爆炸式”高速開關并聯(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，需要設備停電重新更換，增加了設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故障限流器，但此限流器超導材料昂貴，技術復雜，投資成本較高且可靠性仍需考證。

針對上述問題，本文從技術可行性與經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[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上，詳細闡述了10 kV零損耗深度限流裝置關鍵技術，并通過220 kV同益變電站的實例運用，驗證了該技術的有效性。

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，導致產生系統(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，故障d1位于限流裝置的負荷側)，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。

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構如圖3所示。

圖3 10 kV零損耗深度限流裝置一次結構

該裝置由快速斷路器與限流電抗器并聯(lián)組成，經L1、L2點串聯(lián)在變壓器10 kV側與10 kV母線之間。其中快速斷路器為基于渦流驅動技術的快速真空斷路器，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內將快速斷路器分閘，投入限流電抗器，限流裝置由零阻抗狀態(tài)切換為高阻抗狀態(tài)，按設計限流深度限制10 kV母線短路電流；

c)當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計，根據不同應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鍵技術

2.1 基于渦流驅動的快速真空斷路器技術

快速真空斷路器結構如圖4所示，主要包括真空滅弧室和渦流驅動機構[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。渦流驅動機構主要由拉桿絕緣子、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。當快速真空斷路器接到控制器合(分)閘命令后，立即觸發(fā)導通相應的可控硅，已充電的儲能電容向合(分)閘線圈放電，產生一個持續(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)分斷操作次數大于100，機械壽命(操作次數)大于10 000次。

圖4 快速真空斷路器結構

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，根據應用原則，將系統(tǒng)d1處短路電流限制到kId0(k為百分數)，則深度限流電抗器阻抗值

2.3 “零前分閘”相控技術

目前，變電站10 kV斷路器普遍采用彈簧機構驅動的真空斷路器，其分閘時間為20～30 ms[19-21]。當發(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”相控技術可在故障電流達到裝置動作定值后20 ms內，且在短路電流過零點時刻投入限流電抗器，將超標的短路電流限制在安全范圍內。

零損耗深度限流裝置“零前分閘”相控技術基于故障電流快速判斷、過零點預測與分相控制技術，并結合渦流驅動的快速真空斷路器技術[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，利用數據擬合，可在3 ms內實現短路電流的快速判斷，之后根據正弦基波特點預測短路電流的過零時刻，結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)對應相別的分閘命令，觸發(fā)導通相應的晶閘管，準確控制對應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，可完成深度限流電抗器的投入，采用“零前分閘”相控技術確保在10 kV故障線路斷路器分閘之前將超標的短路電流限制在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備的持續(xù)沖擊，保障了設備安全。

3 應用實例

本文提出的10 kV零損耗深度限流裝置技術已成功安裝應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，將超標的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，主變容量為3×240 MV·A，3臺主變10 kV側已安裝了電抗率為10%(對應電抗值為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母線短路電流數據見表1，當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母線短路電流數據

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母線短路電流設定在Id=10 kA，已知變壓器低壓側等值阻抗X3=21.665 Ω，給定基準功率SB=100 MV·A，UB=10.5 kV，可知10 kV系統(tǒng)基準電流[27]

則總電抗(標幺值)

主變低壓側低壓側等值阻抗(標幺值)

加裝的限流電抗器電抗值(標幺值)

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。

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側電流恢復至工作電流。

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內投入了限流電抗器，將故障電流由最大的19.7 kA(對應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設備的沖擊效應，相對提升了變壓器、斷路器抗短路沖擊能力。

4 結束語

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，按設計限流深度將超標的短路電流限制在設備允許范圍內，解決了以往限流設備在運行時系統(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，保障了設備安全運行，提高了10 kV系統(tǒng)供電可靠性。