唐 震,郭 垚,劉澤宇
(1.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院,山西太原030001;2.山西大學(xué),山西太原 030013)
隨著負(fù)荷需求的快速增加,電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大,并不斷向特高壓、大容量、大規(guī)模和大電網(wǎng)互聯(lián)方向發(fā)展,必然導(dǎo)致輸配電系統(tǒng)整體短路電流水平不斷提高。這不僅對(duì)電網(wǎng)斷路器的開(kāi)斷能力是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn),同時(shí)短路電流對(duì)變壓器等設(shè)備的損害也是必須予以考慮的問(wèn)題。對(duì)于斷路器、變壓器等設(shè)備,短路電流限制器就是解決短路電流過(guò)大的有效途徑之一[1-4]。本文主要探討短路電流限制器對(duì)變壓器保護(hù)的影響。
電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性需要進(jìn)一步提高限制短路電流的水平,如果斷路器不能快速有效地開(kāi)斷過(guò)大的短路電流,將對(duì)電力系統(tǒng)中用電設(shè)備造成極大的損壞。如果僅僅依靠提高電氣設(shè)備承受短路電流的能力,顯然在經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)方面都不是一個(gè)很好的解決方案,因而必須采取有效措施來(lái)限制電力系統(tǒng)短路電流快速增長(zhǎng)的問(wèn)題[5]。
隨著短路電流限制器日益受到重視,國(guó)內(nèi)很多單位投入到其研究與應(yīng)用中。2007 年,天津機(jī)電工業(yè)控股集團(tuán)公司等單位聯(lián)合研制的35 kV 超導(dǎo)磁飽和型限制器在云南省普吉變電站正式掛網(wǎng)試運(yùn)行[6];陜西電力科學(xué)研究院研發(fā)的DXK1 系列產(chǎn)品在多方面已經(jīng)達(dá)到甚至超過(guò)國(guó)外產(chǎn)品的水平[7];上海交通大學(xué)在磁控開(kāi)關(guān)型故障限制器領(lǐng)域開(kāi)展大量研究的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)了適用于中高壓電網(wǎng)領(lǐng)域的一種磁控開(kāi)關(guān)型故障限制器,并在試驗(yàn)室完成了故障限制器樣機(jī)的研制[8];華中科技大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)分別在串聯(lián)補(bǔ)償裝置基礎(chǔ)上開(kāi)展了具有串聯(lián)補(bǔ)償作用的限制器仿真研究工作[9]。
20 世紀(jì)90 年代,美國(guó)電力科學(xué)研究院在電力系統(tǒng)固態(tài)限制器方面的研究進(jìn)展迅速,1993 年初,Mort Monmouth 的Army Power Center 的4.6 kV 交流饋電線路上安裝了1 臺(tái)由反并聯(lián)可關(guān)斷晶閘管GTO(gate turn-off thyristor)構(gòu)成的固態(tài)斷路器,在短路故障發(fā)生0.3 ms 內(nèi)切斷故障;在超導(dǎo)故障限制器工程應(yīng)用方面,美國(guó)的Lockheedmartin 公司、General Atomics 公司分別于1995 年、1999 年研制了2.4 kV/80 A 和15 kV/20 kA 的橋路型超導(dǎo)限制器;在混合型限制器方面,日本關(guān)西電力公司與富士電機(jī)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了400 V 由真空開(kāi)關(guān)和GTO 并聯(lián)構(gòu)成的配電用混合式限流分?jǐn)嘌b置;2008 年,由ABB 公司向上海寶鋼股份有限公司供應(yīng)的12 kV Is-快速限制器(Is-Limiter),可保證在1 ms 內(nèi)快速開(kāi)斷,使短路電流在發(fā)生瞬間就開(kāi)斷。
近年來(lái),世界各國(guó)的工程技術(shù)人員一方面繼續(xù)完善固態(tài)限制器的性能并使其能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行要求,同時(shí)積極促進(jìn)商業(yè)化、實(shí)用化;另一方面,積極探索多功能限制器的研究,主要集中在串聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償和限流的功能組合領(lǐng)域。
基于爆破切割技術(shù)的短路電流限制器[11](以下簡(jiǎn)稱(chēng)“短路電流限制器”)分為觸頭型和無(wú)觸頭型兩類(lèi)。本文所研究的短路電流限制器屬于無(wú)觸頭型產(chǎn)品,其原理是在開(kāi)關(guān)導(dǎo)流排或管的薄弱環(huán)節(jié)——斷口下放置微型炸藥,短路時(shí)引爆炸藥將斷口炸斷,高速切斷電流通路,開(kāi)斷時(shí)間一般可達(dá)1 ms 數(shù)量級(jí),因其工作可靠,在國(guó)外已得到廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家在總結(jié)國(guó)外研制、生產(chǎn)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,立足國(guó)內(nèi)實(shí)際和技術(shù)水平,自主研發(fā)了基于爆破切割技術(shù)的短路電流限制器,目前在電力系統(tǒng)中已得到廣泛的應(yīng)用,并已取得了良好的效果。
短路電流限制器由快速隔離器、高壓熔斷器、控制器、導(dǎo)線、電流測(cè)量傳感器(羅氏線圈)以及附屬組件等構(gòu)成,正常運(yùn)行時(shí),電流流過(guò)導(dǎo)線、電流測(cè)量傳感器和快速隔離器;發(fā)生短路故障時(shí),電流測(cè)量傳感器將短路電流信號(hào)送至控制器,控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理。若短路電流超過(guò)整定值,控制器將輸出觸發(fā)信號(hào)脈沖,使爆破切割系統(tǒng)快速隔離器在幾百微秒內(nèi)高速斷開(kāi),將短路電流全部轉(zhuǎn)移到高壓過(guò)限流熔斷器,熔斷器熔斷后,實(shí)現(xiàn)短路電流開(kāi)斷,完成故障切除。
短路電流限制器可在短路電流尚未到達(dá)峰值前將其快速斷開(kāi),即短路電流在第一個(gè)半波被限制到預(yù)期短路電流峰值的15%~50%,整個(gè)斷開(kāi)時(shí)間小于10 ms,極大地降低了故障電流總能量,使電力設(shè)備得到有效地保護(hù),降低了短路電流對(duì)其的損壞程度。
2.2.1 高壓限流熔斷器的建模
高壓限流熔斷器是開(kāi)斷故障電流的最后環(huán)節(jié),其動(dòng)作特性直接關(guān)系到短路電流限制器的性能。熔斷器切斷短路電流的暫態(tài)過(guò)程實(shí)質(zhì)上是熔體從溫升到燃弧再到熄弧的復(fù)雜電弧過(guò)程。文獻(xiàn)[12]借助有限元分析軟件ANSYS 對(duì)熔斷器熔斷過(guò)程進(jìn)行仿真模擬,得到了熔斷器的弧前時(shí)間—電流特性以及熔斷過(guò)程中熔斷器等效電阻的非線性時(shí)變曲線(如圖1所示的“原始曲線”)。本文采用線性電阻插值的方法建立高壓限流熔斷器仿真模型,這種方法的基本思路是按照特性曲線不同時(shí)刻的電阻值控制電阻接入,模擬的特性曲線如圖1 所示的“本文曲線”。
圖1 熔斷器非線性特性曲線
2.2.2 控制器邏輯
短路電流一般具有幅值大、變化快的特性,因此短路電流限制器的控制器中設(shè)置了電流瞬時(shí)值i和電流瞬時(shí)變化率di/dt 兩個(gè)定值。只有當(dāng)兩個(gè)判據(jù)同時(shí)大于設(shè)定值時(shí)才輸出動(dòng)作信號(hào),從而在保證可靠性的同時(shí)增強(qiáng)了抗干擾能力,保證了短路電流限制器的有效快速動(dòng)作。
2.2.3 短路電流及限制措施仿真
為了掌握各種措施對(duì)變壓器低壓側(cè)短路電流的限制效果,本文基于PSCAD/EMTDC 電磁暫態(tài)仿真程序建立的230/115/37 kV 三相三卷變壓器低壓側(cè)故障仿真模型如圖2 所示。仿真系統(tǒng)參數(shù)如下:等值阻抗0.3 Ω;變壓器Y0-Y0-Δ,150 MVA,230/115/37 kV;110 kV 系統(tǒng)負(fù)荷P1+jQ1=100+j30,35 kV系統(tǒng)負(fù)荷P2+jQ2=j30+j6。故障點(diǎn)設(shè)置在變壓器低壓側(cè)(35 kV 側(cè)),故障時(shí)刻3.0 s,故障時(shí)間0.1 s,下同。
a)無(wú)短路電流限制措施故障仿真。變壓器低壓側(cè)無(wú)短路電流限制措施時(shí),在變壓器35 kV 側(cè)模擬三相短路,仿真結(jié)果如圖3 所示。
圖2 短路電流限制器仿真系統(tǒng)
圖3 無(wú)短路電流限制措施的三相短路故障
從圖3 可以看出,變壓器35 kV 側(cè)三相短路時(shí),流過(guò)35 kV 斷路器的電流峰值已達(dá)到61.69 kA,當(dāng)斷路器額定遮斷電流為20 kA 時(shí),此時(shí)短路電流已超過(guò)了斷路器的正常開(kāi)斷范圍,因此必須采取措施進(jìn)行限制。
b) 電抗器限制短路電流。為了限制變壓器35 kV 側(cè)的短路電流,首先采用串聯(lián)電抗器的方法進(jìn)行短路電流限制,一般情況電抗器的取值范圍為0.15~0.9 Ω,這里選定電抗器阻抗值0.5 Ω。下面對(duì)采用電抗器限制措施以及采用電抗器后的電壓降低程度進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖4 所示。仿真系統(tǒng)參數(shù)同上。
圖4 采用限流電抗器限制短路電流的仿真結(jié)果
從圖4 可以看出,在35 kV 側(cè)三相短路故障時(shí),采用串聯(lián)電抗器的方法可以將短路電流限制到40.1 kA,電抗器前后的電壓有效值分別為21.24 kV和21.22 kV(壓降為0.02 kV,小于5%)。這說(shuō)明采用串聯(lián)電抗器可以限制短路電流且效果明顯。但由于電抗器在運(yùn)行時(shí)一直串聯(lián)在供電回路中,這樣勢(shì)必造成很大的損耗。
c)短路電流限制器開(kāi)斷短路電流。按照短路電流限制器的基本原理建立PSCAD/EMTDC 仿真模型,將其串接變壓器低壓側(cè)。為了驗(yàn)證模型的有效性,下面基于所建模型,開(kāi)展短路電流限制器故障方式的仿真分析。短路電流限制器啟動(dòng)定值設(shè)置為:瞬時(shí)值取7.0 kA,變化量取10 kA/s。變壓器低壓側(cè)三相短路仿真結(jié)果如圖5 所示。
圖5 短路電流限制器三相短路故障仿真結(jié)果
由圖5 可知,變壓器35 kV 母線出線處3.0 s三相短路故障時(shí),采用短路電流限制器在3.007 5 s時(shí)將短路電流開(kāi)斷,整個(gè)開(kāi)斷過(guò)程7.5 ms,說(shuō)明采用短路電流限制器能夠快速開(kāi)斷故障。
d)短路電流限制器旁路限流電抗器。變壓器低壓出口的限流電抗器唯一的用途就是限制系統(tǒng)的短路電流。如在限流電抗器兩端并聯(lián)1 臺(tái)短路電流限制器,正常運(yùn)行時(shí),負(fù)荷電流幾乎全部流過(guò)短路電流限制器;當(dāng)母線或出線發(fā)生兩相或三相短路時(shí),短路電流限制器快速開(kāi)斷使電抗器投入,起到限制短路電流的作用。
短路電流限制器的具體作用如下:一是節(jié)能降耗,采用短路電流限制器將電抗器旁路后具有顯著的節(jié)能降耗作用。二是消除無(wú)功損耗,電抗器存在巨大的無(wú)功損耗,影響變電站帶負(fù)荷的能力,采用短路電流限制器后徹底消除限流電抗器的無(wú)功損耗,起到了降低線損、改善系統(tǒng)功率因數(shù)的作用。三是提高供電質(zhì)量,電抗器一般會(huì)使母線電壓降低3%~8%,若遇到大型感性負(fù)載(如大容量電動(dòng)機(jī)等)投入,電壓降則更大。裝設(shè)短路電流限制器后,將使電壓質(zhì)量得到提高。四是消除干擾,消除了電抗器磁場(chǎng)及噪聲對(duì)環(huán)境和設(shè)備的干擾,以滿足國(guó)家有關(guān)電磁場(chǎng)干擾強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)要求。
當(dāng)35 kV 側(cè)3.0 s 時(shí)刻發(fā)生三相短路時(shí),限制器投入使用,將短路電流限制在10 kA 以內(nèi)。10 ms 時(shí)間之內(nèi)短路電流限制器的高壓限流熔斷器斷開(kāi),限流電抗器投入運(yùn)行。仿真結(jié)果如圖6 所示。
圖6 限制器旁路電抗器的仿真結(jié)果
從圖6 可以看出,正常運(yùn)行時(shí)電流全部流過(guò)限制器,在變壓器35 kV 側(cè)三相短路時(shí),短路電流限制器在7.3 ms 時(shí)將短路電流轉(zhuǎn)移到限流電抗器上。這樣既能在正常運(yùn)行時(shí)減少電抗器的損耗,又可以在故障時(shí)將電流全部轉(zhuǎn)移到限流電抗器上,達(dá)到限制短路電流和節(jié)能降耗的目的,長(zhǎng)期運(yùn)行將節(jié)省大量資金。
電力系統(tǒng)中的繼電保護(hù)裝置,不間斷地監(jiān)視各種電氣設(shè)備(發(fā)電機(jī)、變壓器、母線與線路等)的運(yùn)行狀況并貫穿從發(fā)電、輸電直至配電和用電的整個(gè)過(guò)程,以保證最大限度地連續(xù)供電和最小的故障損失。短路電流限制器作為一種新型保護(hù)設(shè)備已得到普遍應(yīng)用。由于短路電流限制器主要是應(yīng)用在變壓器低壓出口處,其接入低壓側(cè),改變了系統(tǒng)阻抗,進(jìn)而引起了電氣量的變化,故下面以此為例來(lái)分析短路電流限制器對(duì)繼電保護(hù)的影響。
3.1.1 主保護(hù)
配置兩種不同原理的變壓器差動(dòng)保護(hù)以及本體非電量保護(hù)。
3.1.2 高壓側(cè)及中壓側(cè)后備保護(hù)
a)帶偏移特性的阻抗保護(hù)。指向變壓器的阻抗不伸出中壓側(cè)母線,作為變壓器部分繞組故障的后備保護(hù),指向母線的阻抗作為本側(cè)母線故障的后備保護(hù)。
b)過(guò)電流保護(hù)。復(fù)合電壓?jiǎn)?dòng)的過(guò)電流保護(hù)或復(fù)合電流保護(hù),延時(shí)跳開(kāi)變壓器各側(cè)斷路器。
c)零序電流保護(hù)。保護(hù)分兩段式,一段帶方向,方向指向母線,延時(shí)跳開(kāi)本側(cè)斷路器;另一段不帶方向,延時(shí)跳開(kāi)變壓器各側(cè)斷路器。
d)過(guò)負(fù)荷保護(hù),延時(shí)動(dòng)作于信號(hào)。
3.1.3 低壓側(cè)后備保護(hù)
低壓側(cè)后備保護(hù)有以下2 種:過(guò)流保護(hù),延時(shí)跳開(kāi)本側(cè)斷路器;復(fù)壓閉鎖過(guò)流保護(hù),設(shè)置一段兩時(shí)限,第一時(shí)限跳開(kāi)本側(cè)斷路器,第二時(shí)限跳開(kāi)變壓器各側(cè)斷路器。
3.1.4 變壓器相間短路后備保護(hù)的配置
《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》(GB/T 14285—2006)第4.3.5 條規(guī)定:變壓器的相間短路后備保護(hù),宜選用過(guò)電流保護(hù)、復(fù)合電壓(負(fù)序電壓和線電壓)啟動(dòng)的過(guò)電流保護(hù)或復(fù)合電流保護(hù)(負(fù)序電流和單相式電壓?jiǎn)?dòng)的過(guò)流保護(hù))[13]。
目前短路電流限制器應(yīng)用于電力系統(tǒng)最常見(jiàn)的兩種情況是單獨(dú)應(yīng)用和旁路限流電抗器,下文將分兩種情況對(duì)其進(jìn)行分析。
3.2.1 單獨(dú)應(yīng)用短路電流限制器對(duì)繼電保護(hù)的影響
單獨(dú)應(yīng)用短路電流限制器時(shí),當(dāng)35 kV 側(cè)出口發(fā)生短路故障后,變壓器的主保護(hù)啟動(dòng);當(dāng)短路電流幅值大小與電流變化率滿足短路電流限制器的整定值時(shí),短路電流限制器的控制器直接發(fā)出命令,限制器進(jìn)入斷開(kāi)電路階段,限制器在10 ms 內(nèi)將完全斷開(kāi),進(jìn)而切除故障。由220 kV 變壓器保護(hù)配置可知,短路電流限制器斷開(kāi)后,還沒(méi)有達(dá)到變壓器主保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間(15~30 ms),變壓器的主保護(hù)還未發(fā)出動(dòng)作命令就已經(jīng)閉鎖。當(dāng)短路電流幅值大小與電流變化率未滿足限制器動(dòng)作條件時(shí),短路電流限制器將保持在正常工作狀態(tài),此時(shí)故障將由主變壓器的主保護(hù)來(lái)切除,或者在主保護(hù)拒動(dòng)時(shí)由后備保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)切除。因此,單獨(dú)安裝短路電流限制器對(duì)變壓器的主保護(hù)與過(guò)電流保護(hù)不產(chǎn)生任何影響。
3.2.2 短路電流限制器旁路限流電抗器對(duì)繼電保護(hù)的影響
a) 電流保護(hù)。由于短路電流限制器旁路限流電抗器接入屬于阻抗性質(zhì),所以主要影響變壓器的電流保護(hù),以下將從變壓器電流保護(hù)的靈敏度指標(biāo)來(lái)分析其影響。
第一,過(guò)電流保護(hù)的動(dòng)作電流計(jì)算。低壓側(cè)過(guò)流保護(hù)的動(dòng)作電流應(yīng)按低壓側(cè)額定電流整定,計(jì)算公式如式(1)所示
其中,Krel為可靠系數(shù),取1.2~1.3;Kr為返回系數(shù),取0.85~0.95;Ie為變壓器35 kV 側(cè)額定電流。
第二,靈敏度校驗(yàn)。靈敏度校驗(yàn)的計(jì)算公式如式(2)所示
b) 短路電流限制器旁路限流電抗器對(duì)繼電保護(hù)的影響。當(dāng)35 kV 側(cè)發(fā)生短路故障時(shí),短路電流限制器在10 ms 內(nèi)將短路電流開(kāi)斷,同時(shí)投入與之相并聯(lián)的限流電抗器。經(jīng)過(guò)對(duì)220 kV 主變保護(hù)典型配置分析可知,短路電流限制器在斷開(kāi)后,還沒(méi)有達(dá)到主保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間(15~30 ms),所以完全可以按照變壓器低壓側(cè)加電抗器的保護(hù)配置方案進(jìn)行分析。
首先,短路電流限制器旁路限流電抗器對(duì)變壓器主保護(hù)的影響。因?yàn)橄蘖麟娍蛊鞯碾娮枰话銥?.15~0.9 Ω,所以對(duì)變壓器主保護(hù)差動(dòng)保護(hù)靈敏度影響不大,在允許范圍內(nèi)。對(duì)變壓器差動(dòng)保護(hù)進(jìn)行仿真(仿真模型圖及低壓側(cè)區(qū)內(nèi)三相短路、W-U 相間和V-W 相間接地故障差動(dòng)保護(hù)仿真結(jié)果圖略),由仿真結(jié)果可以看出,在低壓側(cè)保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生三相短路、相間短路和相間接地故障情況下,短路電流限制器在10 ms 內(nèi)正確投入,將短路電流轉(zhuǎn)移到限流電抗器,隨后變壓器差動(dòng)保護(hù)正確動(dòng)作。由此可以得出短路電流限制器旁路電抗器對(duì)變壓器差動(dòng)保護(hù)沒(méi)有影響。
其次,短路電流限制器旁路限流電抗器對(duì)變壓器后備保護(hù)的影響。由《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》可知,變壓器各側(cè)都裝設(shè)了相間短路的后備保護(hù)且具有一定的延時(shí)(0.3~0.5 s)。當(dāng)變壓器低壓側(cè)僅安裝短路電流限制器時(shí),在低壓側(cè)發(fā)生短路故障時(shí),由于短路電流限制器的快速開(kāi)斷使得本側(cè)的后備保護(hù)還未啟動(dòng)短路電流就變?yōu)榱?。?dāng)變壓器低壓側(cè)安裝短路電流限制器旁路限流電抗器時(shí),在低壓側(cè)發(fā)生短路故障時(shí),由于短路電流限制器將短路電流轉(zhuǎn)移到限流電抗器,因此在整定低壓側(cè)過(guò)流保護(hù)時(shí)可按僅安裝限流電抗器整定。
由于變壓器中壓側(cè)的阻抗比較小,甚至為負(fù)值,所以高、中壓側(cè)的過(guò)流保護(hù)一般都能起到互為后備的作用;但因低壓側(cè)的阻抗較大(高阻抗變壓器或普通變壓器加裝限流電抗器后),發(fā)生短路時(shí),高、中壓側(cè)的后備保護(hù)對(duì)低壓側(cè)故障難以滿足靈敏度的要求。
本文基于PSCAD/EMTDC 電磁暫態(tài)仿真程序建立了短路電流限制器仿真模型,通過(guò)短路電流限制器各種安裝方式的仿真分析,得出如下結(jié)論。
a)以線性電阻插值法能夠正確模擬高壓限流熔斷器的非線性熔斷特性,在各種故障仿真中驗(yàn)證了模型的有效性。短路電流限制器作為限制系統(tǒng)短路電流保護(hù)主設(shè)備的一種裝置,可應(yīng)用于開(kāi)斷短路電流、旁路限流電抗器等多種場(chǎng)合。從仿真結(jié)果來(lái)看,其效果較為理想,特別是對(duì)于短路電流水平較高的變電站,加裝短路電流限制器是一個(gè)較為理想的選擇。
b)變壓器低壓側(cè)只安裝短路電流限制器時(shí),由于短路電流限制器可以在發(fā)生故障的10 ms 內(nèi)快速切斷故障,變壓器的差動(dòng)、過(guò)流等保護(hù)裝置還未啟動(dòng)短路電流就變?yōu)榱?,故?duì)差動(dòng)保護(hù)和過(guò)流等保護(hù)裝置的正確動(dòng)作無(wú)任何影響。
c)變壓器低壓側(cè)短路電流限制器旁路電抗器時(shí),由于限制器在故障的10 ms 內(nèi)快速將短路電流轉(zhuǎn)移到限流電抗器,此時(shí)短路電流大幅降低,導(dǎo)致變壓器后備保護(hù)的靈敏度難以滿足要求,特別是高、中壓側(cè)后備保護(hù)對(duì)低壓側(cè)故障的靈敏度。短路電流限制器旁路電抗器對(duì)變壓器差動(dòng)保護(hù)沒(méi)有影響。