楊 勇,張 弛,徐 華,邵先軍,戚宣威,金涌濤,何 堅(jiān)
(1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院,杭州 310014 2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司,杭州 310007)
隨著浙江電網(wǎng)的快速發(fā)展,省內(nèi)500 kV 及220 kV 等電壓等級(jí)的短路電流水平逐年攀升。部分變電站的母線短路電流水平已經(jīng)接近或者超過(guò)了斷路器的遮斷容量,短路電流超標(biāo)問(wèn)題已經(jīng)成為制約浙江電網(wǎng)發(fā)展和電網(wǎng)安全運(yùn)行的主要矛盾之一。
傳統(tǒng)短路電流抑制措施主要有:設(shè)備投停、母線分列運(yùn)行、線路出串運(yùn)行、電網(wǎng)解環(huán)運(yùn)行、采用高阻設(shè)備、變壓器中性點(diǎn)裝設(shè)小電抗等措施。浙江電網(wǎng)多采用拉停線路、母線分列運(yùn)行等措施降低電網(wǎng)的短路電流水平,但這些措施對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的靈活性、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性存在一定負(fù)面影響[1-2]。
針對(duì)常規(guī)短路電流抑制措施的弊端,本文提出柔性短路電流抑制技術(shù),通過(guò)采用快速開關(guān)在故障期間動(dòng)態(tài)改變系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),母線短時(shí)分列運(yùn)行,限制短路電流,同時(shí)降低對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行的影響。故障切除后快速開關(guān)迅速閉合,避免了傳統(tǒng)母線長(zhǎng)期分列運(yùn)行給電網(wǎng)帶來(lái)的影響[3-4]。
近年來(lái),國(guó)內(nèi)研究者對(duì)采用快速開關(guān)限制短路電流進(jìn)行了研究。研究的焦點(diǎn)主要集中于基本原理、快速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、短路故障識(shí)別和仿真分析等問(wèn)題。文獻(xiàn)[5]對(duì)快速開關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)即快速渦流驅(qū)動(dòng)技術(shù)和短路故障快速識(shí)別判據(jù)進(jìn)行了論述,提出利用快速開關(guān)的快速分閘特性可以在故障時(shí)迅速實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)解列,達(dá)到降低短路電流水平的目的。文獻(xiàn)[6]為解決采用傳統(tǒng)操作機(jī)構(gòu)的斷路器分合閘速度和可靠性較低的問(wèn)題,提出了一種基于渦流驅(qū)動(dòng)的大容量快速開關(guān),研制了10 kV/5 kA、開斷能力80 kA 的快速開關(guān)。文獻(xiàn)[7]以寧夏電網(wǎng)中某750 kV 變電站330 kV 母線發(fā)生三相短路故障為算例進(jìn)行了仿真分析,結(jié)果表明采用快速開關(guān)的限制短路電流措施不僅能夠顯著地抑制短路電流,而且能夠提升系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[8]研究了系統(tǒng)拓?fù)湔{(diào)整方法、配合時(shí)序及動(dòng)作策略,結(jié)合典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究了短路電流抑制效果,分析了拓?fù)湔{(diào)整對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定和繼電保護(hù)的影響。但是針對(duì)采用220 kV 快速開關(guān)短路電流抑制方法的工程應(yīng)用、人工短路驗(yàn)證快速開關(guān)與常規(guī)開關(guān)的配合時(shí)序以及動(dòng)作策略的正確性還未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。
本文闡述了柔性短路電流抑制技術(shù)的基本原理、快速開關(guān)基本工作原理和短路故障快速識(shí)別技術(shù),提出了快速開關(guān)與常規(guī)開關(guān)的配合時(shí)序及動(dòng)作策略,分析了快速開關(guān)在不同安裝位置對(duì)故障點(diǎn)短路電流的抑制作用。為驗(yàn)證所提出的動(dòng)作時(shí)序及控制策略的有效性,進(jìn)行了220 kV 線路單相人工短路試驗(yàn)。
圖1 給出了柔性短路電流抑制技術(shù)的原理。支路n 發(fā)生短路故障,故障點(diǎn)短路電流是由相連的多條饋電支路匯集形成,故障點(diǎn)短路電流超過(guò)常規(guī)斷路器的遮斷容量,因此常規(guī)斷路器無(wú)法開斷系統(tǒng)的短路電流。
圖1 柔性短路電流抑制技術(shù)原理
柔性短路電流抑制技術(shù)采用快速開關(guān)在故障期間動(dòng)態(tài)改變系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),即在故障發(fā)生后、常規(guī)斷路器分閘前將故障點(diǎn)與部分匯集支路隔離,切除支路1 和支路j 的短路電流,從而抑制故障點(diǎn)短路電流水平,降至常規(guī)斷路器遮斷容量?jī)?nèi),提高切除故障電流的可靠性,降低對(duì)電網(wǎng)沖擊。短路故障切除后且在滿足同期并列運(yùn)行條件的情況下,快速開關(guān)自動(dòng)合閘,系統(tǒng)恢復(fù)正常拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),降低對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行的影響。
快速開關(guān)開斷后,短路電流才能得到限制,要實(shí)現(xiàn)柔性短路電流抑制,快速開關(guān)應(yīng)在常規(guī)斷路器分閘時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)調(diào)整,因此快速開關(guān)快速性能以及快速開關(guān)與常規(guī)斷路器的時(shí)序配合十分重要。下面從快速開關(guān)基本工作原理、短路故障快速識(shí)別以及快速開關(guān)與常規(guī)斷路器時(shí)序配合3 個(gè)方面進(jìn)行闡述。
在快速開關(guān)切除短路故障時(shí),滅弧室內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生高溫、高壓電弧,斷口間還要承受電弧熄滅后產(chǎn)生的暫態(tài)過(guò)電壓,斷路器開斷過(guò)程中滅弧室內(nèi)部是一個(gè)復(fù)雜的氣流場(chǎng)—溫度場(chǎng)—電磁場(chǎng)多場(chǎng)耦合的物理過(guò)程。此外,由于快速開關(guān)分閘時(shí)間要求小于8 ms,在瞬態(tài)沖擊載荷的作用下,斷路器傳動(dòng)系統(tǒng)容易出現(xiàn)磨損、斷裂等機(jī)械故障。因此,滅弧室和傳動(dòng)系統(tǒng)是快速開關(guān)設(shè)計(jì)的核心。
圖2 為滅弧室結(jié)構(gòu)??焖匍_關(guān)在開斷短路電流時(shí),部分電流能量被導(dǎo)入熱膨脹室(壓氣缸)而產(chǎn)生膨脹壓力,這種壓力在同一方向上與壓氣缸壓縮的氣體壓力疊加而實(shí)現(xiàn)音速吹弧,當(dāng)噴口打開時(shí),封閉氣缸內(nèi)壓力釋放而實(shí)現(xiàn)冷熱氣體交換,使電流在過(guò)零點(diǎn)時(shí)熄滅,同時(shí)電弧在氣缸內(nèi)產(chǎn)生的壓力也幫助驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行分閘操作,所以大大減少了分閘操作。
圖2 快速開關(guān)自能式滅弧室結(jié)構(gòu)
快速開關(guān)傳動(dòng)系統(tǒng)采用快速渦流驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與碟簧液壓機(jī)構(gòu)相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)技術(shù)??焖贉u流驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)代替常規(guī)的分閘電磁鐵,其部件主要由絕緣拉桿、渦流盤、線圈等組成,運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量只有普通斷路器的1/10 左右,為斷路器的提速創(chuàng)造了條件。采用電容儲(chǔ)能、渦流驅(qū)動(dòng),大大提高了驅(qū)動(dòng)力。同時(shí)減掉了傳動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等易降低動(dòng)作速度的中間環(huán)節(jié)[8-9]。
圖3 是快速開關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理示意,圖中為合閘位置。分閘過(guò)程如下:給分閘命令,快速渦流驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分閘線圈得電,產(chǎn)生強(qiáng)度很高的脈沖電流并伴隨著一個(gè)脈沖磁場(chǎng),渦流盤在脈沖磁場(chǎng)的作用下感生渦流。脈沖磁場(chǎng)與渦流磁場(chǎng)之間的排斥力推動(dòng)渦流盤帶動(dòng)分閘先導(dǎo)閥的閥芯運(yùn)動(dòng),打開先導(dǎo)閥閥口,控制腔油路與低壓油相通,主閥最右端的控制腔卸壓。在面積差的作用下,主閥的閥芯向右運(yùn)動(dòng),工作缸左腔與低壓油箱連通,同理,在面積差的作用下,工作缸向左運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)滅弧室運(yùn)動(dòng)部分完成分閘動(dòng)作。
圖3 快速開關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理示意
短路故障快速識(shí)別是快速開關(guān)的一個(gè)至關(guān)重要的性能指標(biāo),一般采用基于電流量的檢測(cè)識(shí)別方法,如測(cè)到的電流量大于預(yù)先設(shè)定的門檻值,則認(rèn)為故障發(fā)生。故障檢測(cè)識(shí)別方法要同時(shí)兼顧快速性和可靠性。信息量大則故障信號(hào)識(shí)別相對(duì)準(zhǔn)確,然而為了有效限制故障電流,要求識(shí)別時(shí)間盡可能短。
目前繼電保護(hù)裝置一般采用方均根算法、快速傅里葉變換算法、最小二乘法進(jìn)行故障檢測(cè),一般需要先采集20 ms(最少10 ms)的數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)處理后再與設(shè)定值比較才能進(jìn)行判斷,顯然不能滿足快速開關(guān)的應(yīng)用需求。目前常見(jiàn)的快速檢測(cè)方法包括電流瞬時(shí)值、斜率、曲率、定積分、三相電流平方和等??焖匍_關(guān)保護(hù)采用電流瞬時(shí)值過(guò)流和電流差分算法相結(jié)合的故障檢測(cè)方法[10-13]。電流瞬時(shí)值過(guò)流方法是對(duì)電流實(shí)時(shí)采樣點(diǎn)進(jìn)行判斷,當(dāng)采樣點(diǎn)絕對(duì)值大于定值時(shí)經(jīng)延時(shí)確認(rèn)后動(dòng)作。采用電流差分算法根據(jù)電流三點(diǎn)采樣值差分計(jì)算短路電流幅值,計(jì)算得到的短路電流幅值越限經(jīng)延時(shí)確認(rèn)后動(dòng)作。
要實(shí)現(xiàn)柔性短路電流抑制,快速開關(guān)和常規(guī)斷路器的配合時(shí)序十分重要。斷路器開斷過(guò)程可分為兩個(gè)階段,一是從接到分閘命令到觸頭機(jī)械分離的階段,該階段時(shí)間(機(jī)械分閘時(shí)間)為tOpen;二是從觸頭分離時(shí)刻到電弧過(guò)零熄滅的燃弧階段,該階段時(shí)間(燃弧時(shí)間)為tArc。快速開關(guān)應(yīng)在常規(guī)斷路器觸頭分離時(shí)刻前完成開斷,從而限制常規(guī)斷路器的開斷電流[1]。從故障發(fā)生到快速開關(guān)開斷的時(shí)間包括繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間tRelay1和快速開關(guān)開斷時(shí)間tBreak1。其中開斷時(shí)間tBreak1包括機(jī)械分閘時(shí)間tOpen1和快速開關(guān)的燃弧時(shí)間tArc1。從故障發(fā)生到常規(guī)斷路器觸頭分離的時(shí)間tSeparation包括繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間tRelay2和斷路器機(jī)械分閘時(shí)間tOpen2。要滿足對(duì)短路電流的限制,需要滿足:
保持現(xiàn)有系統(tǒng)繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和斷路器分閘時(shí)間不變,縮短快速開關(guān)的繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和開關(guān)開斷時(shí)間,快速開關(guān)在常規(guī)斷路器觸頭分離前完成系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)調(diào)整,實(shí)現(xiàn)柔性短路電流抑制。
以天一變?yōu)槔瑥拈_斷母分快速開關(guān)后,母線Ⅰ段,母線Ⅱ段分別由兩個(gè)獨(dú)立供區(qū)供電,斷開母分開關(guān)后,兩系統(tǒng)解耦,母線短路電流下降明顯,其電流路徑如圖4 所示。
圖4 天一變220 kV 母線故障,母分快速開關(guān)開斷后的短路電流路徑
從開斷母聯(lián)快速開關(guān)后,天一變正母,副母間通過(guò)220 kV 系統(tǒng)耦合,僅斷開母聯(lián)斷路器,電源仍可通過(guò)耦合的220 kV 系統(tǒng)向故障母線提供短路電流,其等值電路如圖5 和圖6 所示。故障母線上220 kV 線路新增短路電流由另一側(cè)無(wú)故障母線的500 kV 電源供給,此時(shí)220 kV 非故障母線的電壓將被故障點(diǎn)拉低至零電壓左右。因此僅斷開母聯(lián)斷路器,對(duì)短路電流的抑制效果不明顯。
從上述快速開關(guān)動(dòng)作模式的效果對(duì)比可見(jiàn),在當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行方式下,通過(guò)斷開母分快速開關(guān),可以顯著抑制天一變220 kV 母線的短路電流。而通過(guò)斷開母聯(lián)斷路器的模式,由于其并未切斷電源點(diǎn)向故障點(diǎn)的短路電流通路,對(duì)短路電流的抑制效果不明顯。因此天一變短路電流抑制工程將快速開關(guān)安裝在正母分段開關(guān)的位置。
圖5 正母故障,母聯(lián)斷路器開斷后的非故障母線短路電流饋入情況
圖6 副母故障,母聯(lián)斷路器開斷后的非故障母線短路電流饋入情況
天一變220 kV 母線Ⅱ段對(duì)外聯(lián)系較為薄弱,若故障期間事故擴(kuò)大化導(dǎo)致天一變220 kVⅡ母線全部失電,將導(dǎo)致下應(yīng)、桑田全停,因此人工短路點(diǎn)安排在天一變220 kVⅠ段出線上。考慮到空充線路和合環(huán)線路上人工短路試驗(yàn)保護(hù)的動(dòng)作效果相同,為降低人工短路的影響、防止事故擴(kuò)大化,并防止線路對(duì)側(cè)變電站動(dòng)作對(duì)試驗(yàn)造成的影響,選擇在天一變220 kVⅠ段空充天惠線上實(shí)施人工短路。天惠線和天明線為同桿并架線路,為防止試驗(yàn)期間天明線故障,在試驗(yàn)期間拉停天明線。
為保證試驗(yàn)期間的運(yùn)行可靠性與安全性,安排將天一變220 kV 正母Ⅰ段上的非試驗(yàn)線路全部倒排至副母Ⅰ段,220 kV 正母Ⅰ段上僅安排天惠線,并將220 kV 正母Ⅱ段上的3 號(hào)主變倒排至220 kV 副母Ⅱ段,系統(tǒng)運(yùn)行方式如圖7 所示。同時(shí)為驗(yàn)證快速開關(guān)對(duì)短路電流的抑制效果,拉停220 kV 副母母分?jǐn)嗦菲鳎灰焖匍_關(guān)動(dòng)作,即可以實(shí)現(xiàn)天一變220 kVⅠ段與Ⅱ段母線的解列運(yùn)行。
圖7 天一變220 kV 系統(tǒng)運(yùn)行方式
6.2.1 短路電流數(shù)據(jù)
天惠線發(fā)生單相人工短路后,天惠線電壓、天惠線電流、1 號(hào)母聯(lián)電流和正母分段電流(快速開關(guān))在120 ms 內(nèi)的波形見(jiàn)圖8 所示,短路電流數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。
圖8 短路電流、電壓波形
表1 短路電流數(shù)據(jù)
由圖8 可知,短路發(fā)生在天惠線電壓最大時(shí)刻,暫態(tài)過(guò)程中短路電流非周期分量較小,初始值2 kA 左右,考慮到非周期分量的衰減,電流值以全電流的有效值計(jì)算。
從短路電流波形可以看到,故障發(fā)生到快速斷路器開斷的時(shí)間為20.1 ms,故障發(fā)生到常規(guī)開關(guān)開斷的時(shí)間為60.2 ms。短路過(guò)程分為兩個(gè)階段,第一階段是正母分段快速開關(guān)開斷前,持續(xù)時(shí)間20.1 ms,第二階段是正母分段快速開關(guān)開斷后,持續(xù)時(shí)間40.1 ms。短路過(guò)程第一階段,天惠線短路電流有效值30.8 kA,快速開關(guān)短路電流有效值11.3 kA,1 號(hào)母聯(lián)有效值20.3 kA;短路過(guò)程第二階段,天惠線短路電流有效值24.2 kA,快速開關(guān)短路電流0,1 號(hào)母聯(lián)短路電流有效值24.2 kA,此時(shí)流過(guò)天惠線開關(guān)的短路電流等于流過(guò)1 號(hào)母聯(lián)的短路電流??焖匍_關(guān)20.1 ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)解列,天惠線短路電流由30.8 kA 降為24.2 kA。
短路電流抑制效果可由短路電流抑制系數(shù)體現(xiàn),計(jì)算公式為:
式中:μ 為短路電流抑制系數(shù);Ikuai為快速開關(guān)開斷前流過(guò)快速開關(guān)的短路電流;Iline為快速開關(guān)開斷前故障線路的短路電流。計(jì)算得到短路電流抑制系數(shù)為36.7%,該系數(shù)主要取決于系統(tǒng)運(yùn)行方式。
6.2.2 動(dòng)作時(shí)序數(shù)據(jù)
天惠線發(fā)生單相人工短路后,快速開關(guān)行程及保護(hù)動(dòng)作情況見(jiàn)圖9 所示。其中t1為短路發(fā)生時(shí)刻,t2為快速開關(guān)觸頭開始動(dòng)作時(shí)刻,t3為天惠線斷路器保護(hù)出口時(shí)刻,t4為快速開關(guān)短路電流熄弧時(shí)刻,t5為快速開關(guān)分閘到位時(shí)刻,t6為天惠線斷路器觸頭開始動(dòng)作時(shí)刻,t7為天惠線斷路器短路電流熄弧時(shí)刻,t8為天惠線斷路器分閘到位時(shí)刻。
計(jì)算保護(hù)動(dòng)作時(shí)間、快速開關(guān)啟動(dòng)時(shí)間、開關(guān)觸頭開始運(yùn)動(dòng)至熄弧時(shí)間和開關(guān)觸頭開始運(yùn)動(dòng)至分閘到位燃弧時(shí)間,結(jié)果見(jiàn)表2。tRelay為保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間,tStart為開關(guān)接到分閘命令到開關(guān)觸頭開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)間,TMovement-Arc為開關(guān)觸頭開始運(yùn)動(dòng)到最終熄弧的時(shí)間。
正母分段開關(guān)(快速開關(guān))繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間tRelay1為2.2 ms,天惠線繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間tRelay2為10 ms,正母分段開關(guān)(快速開關(guān))保護(hù)動(dòng)作時(shí)間較天惠線保護(hù)動(dòng)作時(shí)間縮短了78%。正母分段開關(guān)(快速開關(guān))啟動(dòng)時(shí)間tStart1為4.5 ms,天惠線開關(guān)啟動(dòng)時(shí)間tStart2為22.9 ms,啟動(dòng)時(shí)間縮短80.3%。
圖9 快速開關(guān)動(dòng)作時(shí)序
表2 快速開關(guān)動(dòng)作時(shí)序數(shù)據(jù)
結(jié)合正母分段快速開關(guān)固有分閘時(shí)間tOpen17.8 ms 和天惠線開關(guān)固有分閘時(shí)間tOpen235.1 ms,可以通過(guò)式(3)計(jì)算得到正母分段快速開關(guān)和天惠線斷路器的燃弧時(shí)間,分別為10.1 ms 和16.8 ms,正母分段快速開關(guān)燃弧時(shí)間較天惠線斷路器縮短39.9%。式中tArc為開關(guān)的燃弧時(shí)間,tStart為開關(guān)收到動(dòng)作命令到開關(guān)觸頭開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)間,TMovement-Arc為開關(guān)觸頭開始運(yùn)動(dòng)到熄弧的時(shí)間,tOpen為開關(guān)的固有分閘時(shí)間,即:
從故障發(fā)生到快速開關(guān)開斷的時(shí)間為20.1 ms,即tRelay1+tOpen1+tArc1=20.1 ms。從故障發(fā)生到常規(guī)斷路器觸頭分離的時(shí)間tSeparation,由式(4)計(jì)算得到45.1 ms,遠(yuǎn)滿足式(1)的要求。
(1)在柔性短路電流抑制技術(shù)基本原理、快速開關(guān)基本工作原理和短路故障快速識(shí)別技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出了500 kV 天一變快速開關(guān)配置方案,該配置方案可有效降低短路電流,提升500 kV天一變的運(yùn)行可靠性。
(2)單相人工短路接地試驗(yàn)表明,快速開關(guān)20.1 ms 內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)解列,線路短路電流下降明顯,短路電流抑制為36.7%,有效降低了短路電流水平??焖匍_關(guān)20.1 ms 開斷短路電流,常規(guī)斷路器60.2 ms 開斷短路電流,時(shí)間縮短40.1 ms。
(3)快速開關(guān)采用電流瞬時(shí)值過(guò)流和電流差分算法,保護(hù)動(dòng)作時(shí)間2.2 ms,明顯快于常規(guī)繼電保護(hù)10.0 ms 的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間。快速開關(guān)采用快速渦流驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與碟簧液壓機(jī)構(gòu)相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)技術(shù),快速開關(guān)啟動(dòng)時(shí)間4.5 ms,明顯快于常規(guī)開關(guān)22.9 ms 的啟動(dòng)時(shí)間??焖匍_關(guān)采用自能式滅弧室,燃弧時(shí)間10.1 ms,快于常規(guī)斷路器16.8 ms 的燃弧時(shí)間。結(jié)果表明快速開關(guān)的各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于常規(guī)斷路器。
(4)展望未來(lái),220 kV SF6快速開關(guān)的工程應(yīng)用為有效開展短路電流抑制提供了重要參考,同時(shí)也為研制550 kV SF6高速開斷斷路器(額定短路電流63 kA,全開斷時(shí)間≤25 ms)打下了基礎(chǔ)。研制550 kV SF6高速開斷斷路器需要進(jìn)一步開展高速開斷用操動(dòng)機(jī)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究和高速開斷滅弧室關(guān)鍵技術(shù)研究。