宋 薇 ，史望聰 ，管偉軍

(1.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院軌道交通學(xué)院,陜西 西安 710018；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號研究所,北京 100081)

以短路發(fā)電機(jī)為電源的試驗(yàn)系統(tǒng)具有對電網(wǎng)影響小、出力大的優(yōu)點(diǎn),近些年在國內(nèi)建立了很多以短路發(fā)電機(jī)為電源的大容量試驗(yàn)站。隨著我國電網(wǎng)電壓等級、開關(guān)電器短路開斷容量的不斷增大,短路發(fā)電機(jī)的短路容量從2 500 MVA 上升到6 500 MVA,并且從單臺機(jī)組獨(dú)立運(yùn)行發(fā)展到現(xiàn)在的多臺機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行。

大容量短路發(fā)電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)主要用于進(jìn)行開關(guān)電器的短路開斷試驗(yàn)、動熱穩(wěn)定和內(nèi)部故障試驗(yàn),這些試驗(yàn)要求的試驗(yàn)容量都比較大。因此,當(dāng)試驗(yàn)回路發(fā)生短路故障,尤其是發(fā)電機(jī)出口端發(fā)生短路故障時(shí),要求發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器必須可靠地切除短路故障,保證試驗(yàn)系統(tǒng)和被試產(chǎn)品的安全。目前,國內(nèi)外的大電流開斷技術(shù)主要有串聯(lián)限流電抗器、電流轉(zhuǎn)移以及并聯(lián)開斷技術(shù)[1-4],我國大容量試驗(yàn)站普遍采用高耦合分裂電抗器(High Coupling Split Reactor,HCSR)與兩臺真空發(fā)電機(jī)斷路器所組成的并聯(lián)開斷技術(shù)[5-6]。

基于高耦合分裂電抗器與兩臺真空發(fā)電機(jī)斷路器組成的并聯(lián)開斷裝置,由于兩臺斷路器機(jī)構(gòu)的分散性,滅弧室開斷性能的差異性,將存在均流開斷和限流開斷兩種情況。分裂電抗器的存在導(dǎo)致兩種開斷模式不同于單臺發(fā)電機(jī)斷路器的短路開斷工況。因此,并聯(lián)開斷短路故障以后,標(biāo)準(zhǔn)《IEC/IEEE 62271-37-013 高壓交流發(fā)電機(jī)斷路器》以及《GB/T 14824-2008 高壓交流發(fā)電機(jī)斷路器》中所規(guī)定的預(yù)期參數(shù)將可能不再適用于并聯(lián)技術(shù)下斷路器的預(yù)期暫態(tài)恢復(fù)電壓(Transient Recovery voltage,TRV)TRV 參數(shù)[7-8]。

本文將分別在兩種開斷情況下,建立短路電流開斷瞬間的等效電路,研究兩臺發(fā)電機(jī)斷路器端口間TRV 特征,以額定電壓14 kV、短路容量6 500 MVA發(fā)電機(jī)出口端短路故障為例,仿真計(jì)算并聯(lián)開斷裝置在兩種開斷模式下的TRV 參數(shù)。

1 并聯(lián)開斷原理及電路模型

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)及并聯(lián)開斷

基于高耦合分裂電抗器與兩臺真空發(fā)電機(jī)斷路器所組成的并聯(lián)開斷裝置是短路發(fā)電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)的重要保護(hù)設(shè)備,高耦合分裂電抗器為干式空心型,耦合系數(shù)0.95。當(dāng)試驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí),并聯(lián)開斷裝置可以快速切除短路故障,保護(hù)短路發(fā)電機(jī)不受破壞,試驗(yàn)系統(tǒng)的原理見圖1 所示。

圖1 中,G為短路發(fā)電機(jī),C為發(fā)電機(jī)出口雜散電容,HCSR 為高耦合分裂電抗器,BK1、BK2 分別為HCSR 兩條支路上串聯(lián)的真空發(fā)電機(jī)斷路器,MK為合閘開關(guān),L和R為試驗(yàn)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)電抗器和電阻器,SP 為被試品。

圖1 短路發(fā)電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)及并聯(lián)開斷技術(shù)原理圖

如圖1 所示,HCSR 的耦合系數(shù)為0.95,結(jié)構(gòu)上采用兩組反向繞制的線圈。在試驗(yàn)回路正常工作或發(fā)生短路故障開斷之前,分裂電抗器兩條支路流過的試驗(yàn)電流基本相等,兩支路產(chǎn)生大小相等、方向相反的磁通,耦合電抗器對外表現(xiàn)為數(shù)值很小的漏阻抗,電抗器對外部的電路系統(tǒng)呈現(xiàn)的阻抗約為零,可以得出高耦合分裂電抗器的電路方程為:

以6 500 MVA 短路發(fā)電機(jī)為電源的試驗(yàn)系統(tǒng),當(dāng)發(fā)電機(jī)出口端發(fā)生短路故障時(shí),在發(fā)電機(jī)額定電壓下的短路電流(有效值)達(dá)到160 kA,如果不能快速切除短路故障,發(fā)電機(jī)將承受很大的電動力和熱負(fù)荷。國內(nèi)技術(shù)成熟的真空發(fā)電機(jī)斷路器最大開斷電流可以達(dá)到120 kA,因此,開發(fā)出基于高耦合分裂電抗器與兩臺真空發(fā)電機(jī)斷路器所組成的并聯(lián)開斷裝置,成功解決了短路電流開斷的問題。

在發(fā)電機(jī)出口或試驗(yàn)回路其他部分發(fā)生短路故障的情況下,當(dāng)兩臺斷路器在同一時(shí)刻過零開斷短路故障,各開斷二分之一的短路故障電流,為均流開斷模式；當(dāng)兩臺斷路器不在同一時(shí)刻開斷短路故障,其中一臺斷路器先開斷短路故障,分裂電抗器支路串入電路中,另外一臺斷路器開斷降低的故障電流,為限流開斷模式。

1.2 電路模型

根據(jù)圖1 所示的短路試驗(yàn)系統(tǒng)原理,發(fā)電機(jī)斷路器出口端的短路故障對其考核是最為嚴(yán)苛的,本文將在這種工況下分析與計(jì)算斷路器BK1、BK2 開斷過程中的TRV 參數(shù),經(jīng)過簡化分析及電路等效,可得出基于高耦合分裂電抗器的真空斷路器并聯(lián)開斷等效電路,如圖2 所示。

圖2 中,G為短路發(fā)電機(jī),LS為發(fā)電機(jī)及母線電抗,RS、CS為發(fā)電機(jī)側(cè)對地的阻尼支路,L1、L2、M為分裂電抗器支路1 自感、支路2 自感、支路間互感,C1、C2為電抗器軸向分布匝間電容的等效并聯(lián)電容,C3、C4為電抗器支路1、支路2 的對地電容。由于耦合電抗器的對稱性,L1≈L2,C1≈C2,C3≈C4。

圖2 系統(tǒng)等效電路模型

2 并聯(lián)開斷初始狀態(tài)及TRV 計(jì)算等效電路

由前面的分析可知,在均流和限流兩種開斷模式下,真空斷路器開斷的短路電流均低于發(fā)電機(jī)出口處短路的故障電流。為了簡化分析,假設(shè)分裂電抗器兩條支路完全對稱,即L1＝L2＝M。則短路故障開斷前的邊界條件為:

下面分別討論均流開斷和限流開斷兩種情況下,短路電流開斷瞬間圖2 所示的電路元件上電位分布的初始條件,以及計(jì)算斷路器斷口間的預(yù)期TRV 參數(shù)、電抗器承受暫態(tài)電壓的等效電路。

2.1 均流開斷模式下的等效計(jì)算

均流開斷模式下,兩臺斷路器同時(shí)開斷故障電流。根據(jù)式(2)所示的短路故障開斷前的邊界條件,可以得出開斷瞬間,圖2 所示的電路中節(jié)點(diǎn)1、2、3 上的初始電位均為零,因此BK1、BK2 開斷后斷路器斷口間預(yù)期TRV 的求解等效電路如圖3 所示,由于分裂電抗器對外呈現(xiàn)零阻抗,節(jié)點(diǎn)1、2 上的暫態(tài)電位相等,為斷路器斷口間的預(yù)期暫態(tài)恢復(fù)電壓。

圖3 均流開斷等效計(jì)算電路

2.2 限流開斷模式下的等效計(jì)算

限流開斷模式下,兩臺發(fā)電機(jī)真空斷路器先后開斷故障電流。假定圖2 中BK1 先于BK2 過零開斷,BK2 在下一個(gè)過零點(diǎn)(間隔10 ms 后)開斷,可以得出BK1、BK2 開斷后斷路器斷口間預(yù)期TRV 的求解等效電路如圖4 所示,節(jié)點(diǎn)2 的暫態(tài)電壓為斷路器CB1 斷口間的TRV,節(jié)點(diǎn)3 的暫態(tài)電壓為斷路器CB2 斷口間的預(yù)期暫態(tài)恢復(fù)電壓。

圖4 限流開斷等效計(jì)算電路

3 算例分析及設(shè)備選型

通過對并聯(lián)開斷裝置在均流開斷和限流開斷兩種工況下的初始狀態(tài),以及保護(hù)斷路器BK1、BK2 開斷短路故障后預(yù)期TRV 計(jì)算的等效電路分析與研究,下面以額定電壓為14 kV、短路容量為6 500 MVA的短路發(fā)電機(jī)出口端短路故障為例,計(jì)算兩臺并聯(lián)的真空斷路器在兩種開斷模式下的預(yù)期TRV 參數(shù),并進(jìn)行設(shè)備選型說明。

3.1 算例分析與TRV 計(jì)算

對應(yīng)于圖2 所示的等效電路,下邊分別從均流和限流兩種模式下進(jìn)行仿真計(jì)算與分析,具體的計(jì)算參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 參數(shù)設(shè)置

3.1.1 均流開斷模式下TRV 計(jì)算

根據(jù)2.1 節(jié)的等效計(jì)算電路,結(jié)合表1 中的參數(shù),應(yīng)用EMTP 程序計(jì)算得到保護(hù)斷路器BK1、BK2的預(yù)期TRV 波形如圖5 所示,應(yīng)用參考文獻(xiàn)[9]所提及的方法,讀取到TRV 的參數(shù)為:Uc＝28.7 kV,t3＝43.0 μs,td＝3.1 μs。其中,Uc為第一包絡(luò)線和第三包絡(luò)線交點(diǎn)的縱坐標(biāo)(代表電壓峰值),t3為第一包絡(luò)線和第三包絡(luò)線交點(diǎn)的橫坐標(biāo)(代表電壓峰值參考時(shí)間),td為第二包絡(luò)線和時(shí)間軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)(代表時(shí)延)。

圖5 均流開斷模式下TRV 仿真結(jié)果

IEC 標(biāo)準(zhǔn)《IEC/IEEE 62271-37-013:2014 高壓交流發(fā)電機(jī)斷路器》表4 中規(guī)定發(fā)電機(jī)斷路器開斷發(fā)電機(jī)源故障的TRV 標(biāo)準(zhǔn)值參數(shù)為Uc＝27.6 kV,t3＝12.6 μs,td＝0.5 μs。根據(jù)上述數(shù)據(jù),可以得出在均流開斷模式下,預(yù)期TRV 參數(shù)Uc在標(biāo)準(zhǔn)值參數(shù)的1.05 倍的范圍內(nèi),TRV 的上升率(RRRV)低于標(biāo)準(zhǔn)值參數(shù),時(shí)延(td)高于標(biāo)準(zhǔn)值參數(shù),考核均遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值參數(shù),這說明在均流開斷模式下,并聯(lián)開斷裝置可以開斷短路故障,發(fā)揮保護(hù)斷路器的作用。

此外,增大發(fā)電機(jī)出口端并聯(lián)阻尼支路的電阻值可以進(jìn)一步降低TRV 的峰值Uc,當(dāng)電阻值Rs分別取2 Ω、4 Ω、8 Ω 時(shí),預(yù)期的TRV 波形如圖5 所示。從圖中可以看出,隨著RS的增大,Uc在逐漸降低,t3和td在逐漸減小,但RRRV 在相對增大。進(jìn)一步可以得出結(jié)論:Uc的下降幅度較明顯,RRRV的增大幅度有限,整體上隨著RS的增大,在均流開斷模式下,對BK1、BK2 的開斷是有利的。

圖6 不同阻尼電阻對TRV 參數(shù)的影響

3.1.2 限流開斷模式下TRV 計(jì)算

根據(jù)2.2 節(jié)的等效計(jì)算電路,結(jié)合表1 中的參數(shù),假設(shè)BK1 在第一個(gè)電流過零點(diǎn)(0 s 時(shí)刻)開斷,BK2 在第二個(gè)電流過零點(diǎn)(0.01 s 時(shí)刻)開斷。BK1在電流過零點(diǎn)1 和電流過零點(diǎn)2 的TRV 波形,以及BK2 在第二個(gè)過零點(diǎn)的TRV 波形如圖7 所示。

圖7 BK1、BK2 在第一、第二過零點(diǎn)預(yù)期TRV 仿真結(jié)果

BK1 在第一、第二個(gè)過零點(diǎn)的預(yù)期TRV 局部放大圖分別如圖8(a)、圖8(b)所示,應(yīng)用參考文獻(xiàn)[9]所提及的方法,由圖8(a)讀取到BK1 過零開斷后的TRV 的參數(shù)為:Uc＝17.4 kV,t3＝32.8 μs,td＝2.2 μs；由圖8(b)可以看到,在BK2 開斷后,暫態(tài)電壓疊加到BK1 斷路器斷口間原有的工頻恢復(fù)電壓上,暫態(tài)電壓的峰值為22.1 kV,t3＝43.9 μs,td＝4.0 μs。因此,在第一和第二過零點(diǎn),BK1 的預(yù)期TRV 參數(shù)均小于《IEC/IEEE 62271-37-013:2014 高壓交流發(fā)電機(jī)斷路器》表4 中的規(guī)定值,這說明在限流開斷模式下,BK1(首開極)可以開斷短路故障。

圖8 BK1 在第一和第二過零點(diǎn)預(yù)期TRV 的局部放大圖

BK2 在第二個(gè)過零點(diǎn)開斷短路電流,預(yù)期TRV局部放大如圖9 所示,可以看出,TRV 波形的振蕩比較嚴(yán)重,這主要是所在支路的雜散電容引起的,而且該TRV 波形不同于現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)《GB1984-2014高壓交流斷路器》[10]中給出的兩參數(shù)TRV 波形,偏似于四參數(shù)TRV 波形[9],為了嚴(yán)格考核,讀取第一個(gè)振蕩波的上升率RRRV 和時(shí)延td,讀取波形最高峰為Uc,得出TRV 參數(shù)為:Uc＝26.4 kV,RRRV＝6.58 kV/μs,td＝0.5 μs。

圖9 BK2 在第二過零點(diǎn)預(yù)期TRV 局部放大圖

《IEC/IEEE 62271-37-013:2014 高壓交流發(fā)電機(jī)斷路器》表3 中規(guī)定發(fā)電機(jī)斷路器開斷系統(tǒng)源故障的TRV 標(biāo)準(zhǔn)值參數(shù)為Uc＝27.6 kV,RRRV＝6.0 kV/μs,td＝1.0 μs。根據(jù)上述數(shù)據(jù),可以得出在限流開斷模式下,預(yù)期TRV 參數(shù)Uc低于標(biāo)準(zhǔn)值參數(shù),上升率(RRRV)和時(shí)延(td)超標(biāo)(即(td)小于標(biāo)準(zhǔn)值),有可能導(dǎo)致開斷失敗。

為了改善BK2 的開斷條件,在分裂電抗器的每條支路上分別并聯(lián)阻值為5 000 Ω 和1 000 Ω 的電阻,仿真計(jì)算波形如圖10 所示。Uc分別降低為23.8 kV 和21.9 kV,RRRV 分別降低為6.4 kV/μs、5.5 kV/μs,td的讀數(shù)約為0.5 μs,無明顯變化,根據(jù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),受雜散電容的影響,td的實(shí)際值大于1.0 μs。因此,當(dāng)并聯(lián)電阻值為1 000 Ω 時(shí),可以滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的參數(shù)要求,BK2 可以開斷短路故障。

圖10 不同并聯(lián)電阻對TRV 參數(shù)的影響

3.2 設(shè)備選型

根據(jù)表1 中的數(shù)據(jù),可以計(jì)算得出在均流開斷模式下,兩臺真空發(fā)電機(jī)斷路器總的短路開斷電流為160 kA,每臺真空發(fā)電機(jī)斷路器的短路開斷電流為80 kA。在限流模式下,第一臺開斷的真空發(fā)電機(jī)斷路器的短路開斷電流為80 kA,第二臺開斷的真空發(fā)電機(jī)斷路器的短路開斷電流為63 kA。因此,發(fā)電機(jī)斷路器技術(shù)參數(shù)為:額定電壓15 kV,短路開斷電流為80 kA。我國已有真空滅弧室廠家在2003 年研發(fā)成功了12 kV/80 kA 的大容量發(fā)電機(jī)斷路器用滅弧室[11],并按照國家標(biāo)準(zhǔn)在國家高壓電器檢測中心完成全部的短路開斷試驗(yàn)。

隨著技術(shù)的發(fā)展,我國某真空滅弧室廠家引用了先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù),已成功開發(fā)了15 kV/120 kA 的大容量發(fā)電機(jī)斷路器用滅弧室,已通過短路開斷試驗(yàn),并在國內(nèi)6 500 MVA 大容量發(fā)電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)中成功應(yīng)用。

4 結(jié)論

基于高耦合分裂電抗器(HCSR)的保護(hù)斷路器是大容量試驗(yàn)站發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的重要保護(hù)裝置,本文通過對其在均流開斷和限流開斷模式下進(jìn)行電路等效和仿真計(jì)算,得出以下結(jié)論:

(1)均流開斷模式下,可以等效為零狀態(tài)響應(yīng)電路,BK1 和BK2 斷口間預(yù)期TRV 基本不受高分裂耦合電抗器支路、以及雜散電容的影響,預(yù)期TRV 低于標(biāo)準(zhǔn)值；

(2)限流開斷模式下,BK1 在第一和第二過零點(diǎn)的預(yù)期TRV 均低于標(biāo)準(zhǔn)值。BK2 在第二個(gè)過零點(diǎn)的預(yù)期TRV 上升率RRRV 高于標(biāo)準(zhǔn)值,通過在分裂電抗器支路并聯(lián)1 000 Ω 電阻可以將RRRV 降至5.5 kV/μs,小于標(biāo)準(zhǔn)要求的6.0 kV/μs。