史玉濤 王婷 彭鵬 李佳其

（國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院 甘肅蘭州 730070）

0 引言

近年來，隨著甘肅電網(wǎng)進(jìn)一步發(fā)展，電網(wǎng)短路電流水平大幅提高，部分變電站短路電流水平已接近或超過斷路器的遮斷容量。如果發(fā)生斷路器不能滅弧引起爆炸，輕則造成母線短路致使變電站失壓，重則導(dǎo)致系統(tǒng)性事故引發(fā)大面積停電［1-2］。系統(tǒng)短路電流超標(biāo)問題已成為制約甘肅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和發(fā)展的主要因素之一。

傳統(tǒng)限制故障短路電流的措施有：優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，電網(wǎng)解環(huán)運(yùn)行，更換大容量設(shè)備，母線分列運(yùn)行以及使用故障限流器等［3-5］。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［6］。

快速開關(guān)具有快速分閘特性，可以在故障期間快速動(dòng)態(tài)改變系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，切除故障后迅速閉合，從而減小對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響。近年來，國內(nèi)研究人員率先對(duì)采用快速開關(guān)限制短路電流進(jìn)行了相關(guān)研究。研究的焦點(diǎn)主要集中于快速開關(guān)基本原理［7］，電磁斥力快速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)［8-9］，快速短路故障識(shí)別技術(shù)［10］，基于快速開關(guān)的串聯(lián)諧振型故障限流器應(yīng)用仿真［11-14］以及應(yīng)用快速開關(guān)提升電能質(zhì)量等方面［15］。

本文基于甘肅電網(wǎng)某330 kV 變電站運(yùn)行構(gòu)架，建立了基于電磁暫態(tài)分析軟件ATP-EMTP 的短路電流計(jì)算分析模型，計(jì)算分析了變電站內(nèi)不同關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)應(yīng)用快速開關(guān)的限流效果及饋線電壓波動(dòng)情況，研究結(jié)果對(duì)快速開關(guān)的工程應(yīng)用具有較好的指導(dǎo)意義。

1 快速開關(guān)工作原理

快速開關(guān)是指能夠在1 個(gè)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)分閘切除故障的斷路器，其動(dòng)作速度更快，能夠?qū)崿F(xiàn)“首波開斷”。目前已研制的高壓快速開關(guān)通常采用快速渦流驅(qū)動(dòng)技術(shù)?；跍u流驅(qū)動(dòng)的高壓快速開關(guān)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)電氣原理如圖1 所示，其中儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)采用電容儲(chǔ)能，為操動(dòng)機(jī)構(gòu)提供能量支撐。

圖1 渦流驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電氣原理圖

快速渦流操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理：對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)投入工作電源后，充電電源首先對(duì)儲(chǔ)能電容進(jìn)行充電。當(dāng)需要合閘時(shí)，合閘控制開關(guān)接收指令接通，儲(chǔ)能電容向合閘線圈回路釋放能量，放電過程中會(huì)產(chǎn)生高強(qiáng)度的脈沖電流并在線圈上形成脈沖磁場(chǎng)，渦流盤在脈沖磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生感應(yīng)渦流，脈沖磁場(chǎng)和渦流磁場(chǎng)之間的電磁斥力推動(dòng)金屬盤運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)動(dòng)觸頭完成合閘。合閘之后由永磁機(jī)構(gòu)保持開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)需要分閘時(shí)，分閘控制開關(guān)接通，分閘線圈得電，渦流盤在電磁斥力作用下帶動(dòng)動(dòng)觸頭完成分閘動(dòng)作［7］。

目前，常規(guī)開關(guān)繼保出口時(shí)間通常為20～30 ms，斷路器分閘時(shí)間約為20 ms，燃弧時(shí)間為15～20 ms，所以常規(guī)開關(guān)完整的開斷時(shí)間為60 ms 或者更久。快速開關(guān)采用快速故障診斷技術(shù)，10 ms 內(nèi)即可完成故障診斷并下達(dá)分閘命令，10～15 ms 內(nèi)即可完成動(dòng)靜觸頭分離和滅弧，因此快速開關(guān)在25 ms 之內(nèi)能夠完成故障切除［16］。

2 快速開關(guān)限制短路電流的機(jī)理概述

電力系統(tǒng)短路故障分為對(duì)稱短路故障和非對(duì)稱短路故障2 類，其中最為典型的是單相接地故障和三相短路故障。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)流過的電流急劇增長，通常為運(yùn)行電流的幾十甚至幾百倍，短路電流越大，運(yùn)行時(shí)間越長，對(duì)系統(tǒng)一、二次設(shè)備傷害越嚴(yán)重［17］。

故障短路電流的持續(xù)時(shí)間與系統(tǒng)中開關(guān)的開斷時(shí)間息息相關(guān)［15］。變電站關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處應(yīng)用快速開關(guān)，在系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，快速開關(guān)快速分閘，切斷其中一部分電源對(duì)故障點(diǎn)短路電流的供給，從而減小短路電流，使短路電流值小于開關(guān)遮斷容量，確保相關(guān)開關(guān)能夠順利滅弧，消除故障電流。當(dāng)故障電流消除后，快速開關(guān)合閘，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

3 仿真分析

3.1 ATP-EMTP 仿真模型

以甘肅電網(wǎng)某330 kV 變電站網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例，變電站采用雙母線分段接線方式。在ATP-EMTP 軟件中建立暫態(tài)分析仿真模型（見圖2），該模型主要由以下5 部分組成。

圖2 ATP-EMTP 仿真模型圖

（1）電網(wǎng)：330 kV 線路側(cè)電網(wǎng)采用三相理想電源進(jìn)行等效，電源1 和電源2 相同，相電壓峰值為

（2）330 kV 輸電線路：仿真分析時(shí)輸電線路采用Bergeron模型，電源1 對(duì)應(yīng)線路長度為23.8 km，電源2 對(duì)應(yīng)線路長度為4.67 km。線路架設(shè)雙避雷線，桿塔接地電阻為5 Ω。

（3）變壓器模型：變壓器模型采用Y-Y 連接三相飽和變壓器（#Sat.Y/Y 3-leg）模型，變壓器容量為360 MVA，高壓側(cè)額定電壓電壓為345 kV，低壓側(cè)額定電壓為121 kV，勵(lì)磁損耗和短路損耗均采用實(shí)際變壓器名牌參數(shù)。

（4）110 kV 輸電線路：負(fù)荷側(cè)共有8 條出線，其中每2 條出線接入同一變電站，線路長度分別為：10.1 km、8.82 km、25.94 km 和8.57 km。

（5）用戶負(fù)載：使用三相對(duì)稱Y 接電阻進(jìn)行等效，等效電阻為200 Ω。

3.2 仿真結(jié)果分析

在系統(tǒng)中設(shè)置0.1 s 發(fā)生母線三相短路接地故障，仿真系統(tǒng)未應(yīng)用快速開關(guān)，母線分段開關(guān)KF1，2、母聯(lián)開關(guān)KC1，2和變壓器低壓側(cè)出線開關(guān)Kr1，23 個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分別應(yīng)用快速開關(guān)4 種不同情況下系統(tǒng)短路電流的變化情況，仿真結(jié)果如下。

（1）當(dāng)系統(tǒng)未應(yīng)用任何限流措施時(shí)，系統(tǒng)三相短路電流情況如圖3 所示，其中方框-實(shí)線為A 相電流，圓-實(shí)線為B 相電流，三角-實(shí)線為C 相電流。根據(jù)仿真圖可以看出，當(dāng)接地短路發(fā)生后，A 相短路電流最大峰值為-51.15 kA，B 相為42.46 kA，C 相為37.77 kA。經(jīng)過180 ms 左右，三相短路電流達(dá)到穩(wěn)定且相近，穩(wěn)態(tài)峰值為28.29 kA。

圖3 系統(tǒng)未應(yīng)用任何限流措施下三相短路電流波形

（2）當(dāng)在母線分段處應(yīng)用快速開關(guān)KF時(shí)，快速開關(guān)分閘時(shí)間設(shè)置為20 ms，仿真得到的母線故障點(diǎn)短路電流波形如圖4所示，出線2 電壓波動(dòng)如圖5 所示。由仿真波形可以看出，故障發(fā)生前20 ms，快速開關(guān)未動(dòng)作，因此短路電流波形與圖3相同，當(dāng)快速開關(guān)打開后，三相短路電流波形相比于未采取限流措施時(shí)有明顯的變化。此時(shí)變電站運(yùn)行方式變?yōu)槟妇€分列運(yùn)行，故障點(diǎn)短路電流僅由主變2 提供。達(dá)到穩(wěn)定后三相短路電流峰值為15.47 kA，相對(duì)減少了45.3%。由圖5 可知，當(dāng)故障發(fā)生后，母線失壓，出線電壓降為0，隨著快速開關(guān)分閘，出線2恢復(fù)供電，整體電壓波動(dòng)時(shí)間約30 ms。

圖4 母線分段處應(yīng)用快速開關(guān)時(shí)三相短路電流波形

圖5 母線分段處應(yīng)用快速開關(guān)時(shí)出線2 電壓波形

（3）當(dāng)在母聯(lián)處應(yīng)用快速開關(guān)KC時(shí)，仿真得到的母線故障點(diǎn)短路電流波形如圖6 所示，出線2 電壓波形如圖7 所示。由仿真波形可以看出，此時(shí)在快速開關(guān)限流作用下，三相短路電流有大幅度降低，此時(shí)短路電流主變1 提供，電流峰值為13.87 kA，相對(duì)減少了50.97%。根據(jù)圖7，母聯(lián)開關(guān)應(yīng)用快速開關(guān)對(duì)供電可靠性影響與分段開關(guān)相同，電壓波動(dòng)時(shí)間約為30 ms。

圖6 母聯(lián)處應(yīng)用快速開關(guān)時(shí)三相短路電流波形

圖7 母聯(lián)處應(yīng)用快速開關(guān)時(shí)出線2 電壓波形

（4）當(dāng)在主變低壓側(cè)出線處應(yīng)用快速開關(guān)，母線Ⅳ發(fā)生三相短路故障，可以跳開開關(guān)KR2，或開關(guān)KR1。以上2 種情況，母線短路電流限制情況與快速開關(guān)應(yīng)用于分段開關(guān)或母聯(lián)開關(guān)相同。當(dāng)KR1 和KR2 同時(shí)分閘時(shí)，故障點(diǎn)短路電流情況如圖8所示，此時(shí)2 臺(tái)主變均空載運(yùn)行，停止向母線供電，母線失壓，出線側(cè)供電可靠性存在影響。

圖8 主變出線側(cè)開關(guān)動(dòng)作時(shí)三相短路電流波形

4 結(jié)論

（1）高壓變電站應(yīng)用快速開關(guān)替代常規(guī)開關(guān)，能夠顯著降低故障電流水平，限流效果顯著，同時(shí)能夠較少故障電壓波動(dòng)時(shí)間，對(duì)用戶供電可靠性和安全性提供了有力保障。

（2）在母線分段處和母聯(lián)處分別應(yīng)用快速開關(guān)，分別能夠?qū)⒐收想娏鞣逯迪鄬?duì)減少45.3%和50.97%，同時(shí)非故障母線側(cè)出線電壓波動(dòng)持續(xù)時(shí)間僅為30 ms，能夠有效減小短路電流對(duì)系統(tǒng)的沖擊并保障用戶用電的可靠性。而在主變低壓側(cè)出線應(yīng)用快速開關(guān)可能造成出線側(cè)母線全部失壓，對(duì)用戶供電可靠性存在影響，因此在實(shí)際變電站建造過程中不建議在主變低壓側(cè)出線應(yīng)用快速開關(guān)。