基于高耦合分裂電抗器的短路發電機保護斷路器TRV 仿真與分析

宋 薇 ，史望聰 ，管偉軍

(1.陜西交通職業技術學院軌道交通學院,陜西 西安 710018；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所,北京 100081)

以短路發電機為電源的試驗系統具有對電網影響小、出力大的優點,近些年在國內建立了很多以短路發電機為電源的大容量試驗站。隨著我國電網電壓等級、開關電器短路開斷容量的不斷增大,短路發電機的短路容量從2 500 MVA 上升到6 500 MVA,并且從單臺機組獨立運行發展到現在的多臺機組并聯運行。

大容量短路發電機試驗系統主要用于進行開關電器的短路開斷試驗、動熱穩定和內部故障試驗,這些試驗要求的試驗容量都比較大。因此,當試驗回路發生短路故障,尤其是發電機出口端發生短路故障時,要求發電機保護斷路器必須可靠地切除短路故障,保證試驗系統和被試產品的安全。目前,國內外的大電流開斷技術主要有串聯限流電抗器、電流轉移以及并聯開斷技術[1-4],我國大容量試驗站普遍采用高耦合分裂電抗器(High Coupling Split Reactor,HCSR)與兩臺真空發電機斷路器所組成的并聯開斷技術[5-6]。

基于高耦合分裂電抗器與兩臺真空發電機斷路器組成的并聯開斷裝置,由于兩臺斷路器機構的分散性,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致兩種開斷模式不同于單臺發電機斷路器的短路開斷工況。因此,并聯開斷短路故障以后,標準《IEC/IEEE 62271-37-013 高壓交流發電機斷路器》以及《GB/T 14824-2008 高壓交流發電機斷路器》中所規定的預期參數將可能不再適用于并聯技術下斷路器的預期暫態恢復電壓(Transient Recovery voltage,TRV)TRV 參數[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,研究兩臺發電機斷路器端口間TRV 特征,以額定電壓14 kV、短路容量6 500 MVA發電機出口端短路故障為例,仿真計算并聯開斷裝置在兩種開斷模式下的TRV 參數。

1 并聯開斷原理及電路模型

1.1 試驗系統及并聯開斷

基于高耦合分裂電抗器與兩臺真空發電機斷路器所組成的并聯開斷裝置是短路發電機試驗系統的重要保護設備,高耦合分裂電抗器為干式空心型,耦合系數0.95。當試驗系統發生短路故障時,并聯開斷裝置可以快速切除短路故障,保護短路發電機不受破壞,試驗系統的原理見圖1 所示。

圖1 中,G為短路發電機,C為發電機出口雜散電容,HCSR 為高耦合分裂電抗器,BK1、BK2 分別為HCSR 兩條支路上串聯的真空發電機斷路器,MK為合閘開關,L和R為試驗系統的調節電抗器和電阻器,SP 為被試品。

圖1 短路發電機試驗系統及并聯開斷技術原理圖

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

以6 500 MVA 短路發電機為電源的試驗系統,當發電機出口端發生短路故障時,在發電機額定電壓下的短路電流(有效值)達到160 kA,如果不能快速切除短路故障,發電機將承受很大的電動力和熱負荷。國內技術成熟的真空發電機斷路器最大開斷電流可以達到120 kA,因此,開發出基于高耦合分裂電抗器與兩臺真空發電機斷路器所組成的并聯開斷裝置,成功解決了短路電流開斷的問題。

在發電機出口或試驗回路其他部分發生短路故障的情況下,當兩臺斷路器在同一時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；當兩臺斷路器不在同一時刻開斷短路故障,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

根據圖1 所示的短路試驗系統原理,發電機斷路器出口端的短路故障對其考核是最為嚴苛的,本文將在這種工況下分析與計算斷路器BK1、BK2 開斷過程中的TRV 參數,經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開斷等效電路,如圖2 所示。

圖2 中,G為短路發電機,LS為發電機及母線電抗,RS、CS為發電機側對地的阻尼支路,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 系統等效電路模型

2 并聯開斷初始狀態及TRV 計算等效電路

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電機出口處短路的故障電流。為了簡化分析,假設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,以及計算斷路器斷口間的預期TRV 參數、電抗器承受暫態電壓的等效電路。

2.1 均流開斷模式下的等效計算

均流開斷模式下,兩臺斷路器同時開斷故障電流。根據式(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 所示的電路中節點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零阻抗,節點1、2 上的暫態電位相等,為斷路器斷口間的預期暫態恢復電壓。

圖3 均流開斷等效計算電路

2.2 限流開斷模式下的等效計算

限流開斷模式下,兩臺發電機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 在下一個過零點(間隔10 ms 后)開斷,可以得出BK1、BK2 開斷后斷路器斷口間預期TRV 的求解等效電路如圖4 所示,節點2 的暫態電壓為斷路器CB1 斷口間的TRV,節點3 的暫態電壓為斷路器CB2 斷口間的預期暫態恢復電壓。

圖4 限流開斷等效計算電路

3 算例分析及設備選型

通過對并聯開斷裝置在均流開斷和限流開斷兩種工況下的初始狀態,以及保護斷路器BK1、BK2 開斷短路故障后預期TRV 計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的短路發電機出口端短路故障為例,計算兩臺并聯的真空斷路器在兩種開斷模式下的預期TRV 參數,并進行設備選型說明。

3.1 算例分析與TRV 計算

對應于圖2 所示的等效電路,下邊分別從均流和限流兩種模式下進行仿真計算與分析,具體的計算參數設置如表1 所示。

表1 參數設置

3.1.1 均流開斷模式下TRV 計算

根據2.1 節的等效計算電路,結合表1 中的參數,應用EMTP 程序計算得到保護斷路器BK1、BK2的預期TRV 波形如圖5 所示,應用參考文獻[9]所提及的方法,讀取到TRV 的參數為:Uc＝28.7 kV,t3＝43.0 μs,td＝3.1 μs。其中,Uc為第一包絡線和第三包絡線交點的縱坐標(代表電壓峰值),t3為第一包絡線和第三包絡線交點的橫坐標(代表電壓峰值參考時間),td為第二包絡線和時間軸交點的橫坐標(代表時延)。

圖5 均流開斷模式下TRV 仿真結果

IEC 標準《IEC/IEEE 62271-37-013:2014 高壓交流發電機斷路器》表4 中規定發電機斷路器開斷發電機源故障的TRV 標準值參數為Uc＝27.6 kV,t3＝12.6 μs,td＝0.5 μs。根據上述數據,可以得出在均流開斷模式下,預期TRV 參數Uc在標準值參數的1.05 倍的范圍內,TRV 的上升率(RRRV)低于標準值參數,時延(td)高于標準值參數,考核均遠低于標準值參數,這說明在均流開斷模式下,并聯開斷裝置可以開斷短路故障,發揮保護斷路器的作用。

此外,增大發電機出口端并聯阻尼支路的電阻值可以進一步降低TRV 的峰值Uc,當電阻值Rs分別取2 Ω、4 Ω、8 Ω 時,預期的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。進一步可以得出結論: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 參數的影響

3.1.2 限流開斷模式下TRV 計算

根據2.2 節的等效計算電路,結合表1 中的參數,假設BK1 在第一個電流過零點(0 s 時刻)開斷,BK2 在第二個電流過零點(0.01 s 時刻)開斷。BK1在電流過零點1 和電流過零點2 的TRV 波形,以及BK2 在第二個過零點的TRV 波形如圖7 所示。

圖7 BK1、BK2 在第一、第二過零點預期TRV 仿真結果

BK1 在第一、第二個過零點的預期TRV 局部放大圖分別如圖8(a)、圖8(b)所示,應用參考文獻[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,暫態電壓疊加到BK1 斷路器斷口間原有的工頻恢復電壓上,暫態電壓的峰值為22.1 kV,t3＝43.9 μs,td＝4.0 μs。因此,在第一和第二過零點,BK1 的預期TRV 參數均小于《IEC/IEEE 62271-37-013:2014 高壓交流發電機斷路器》表4 中的規定值,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預期TRV 的局部放大圖

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

圖9 BK2 在第二過零點預期TRV 局部放大圖

《IEC/IEEE 62271-37-013:2014 高壓交流發電機斷路器》表3 中規定發電機斷路器開斷系統源故障的TRV 標準值參數為Uc＝27.6 kV,RRRV＝6.0 kV/μs,td＝1.0 μs。根據上述數據,可以得出在限流開斷模式下,預期TRV 參數Uc低于標準值參數,上升率(RRRV)和時延(td)超標(即(td)小于標準值),有可能導致開斷失敗。

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阻值為5 000 Ω 和1 000 Ω 的電阻,仿真計算波形如圖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的讀數約為0.5 μs,無明顯變化,根據應用經驗,受雜散電容的影響,td的實際值大于1.0 μs。因此,當并聯電阻值為1 000 Ω 時,可以滿足標準規定的參數要求,BK2 可以開斷短路故障。

圖10 不同并聯電阻對TRV 參數的影響

3.2 設備選型

根據表1 中的數據,可以計算得出在均流開斷模式下,兩臺真空發電機斷路器總的短路開斷電流為160 kA,每臺真空發電機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電機斷路器的短路開斷電流為80 kA,第二臺開斷的真空發電機斷路器的短路開斷電流為63 kA。因此,發電機斷路器技術參數為: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 年研發成功了12 kV/80 kA 的大容量發電機斷路器用滅弧室[11],并按照國家標準在國家高壓電器檢測中心完成全部的短路開斷試驗。

隨著技術的發展,我國某真空滅弧室廠家引用了先進的設計技術,已成功開發了15 kV/120 kA 的大容量發電機斷路器用滅弧室,已通過短路開斷試驗,并在國內6 500 MVA 大容量發電機試驗系統中成功應用。

4 結論

基于高耦合分裂電抗器(HCSR)的保護斷路器是大容量試驗站發電機系統的重要保護裝置,本文通過對其在均流開斷和限流開斷模式下進行電路等效和仿真計算,得出以下結論:

(1)均流開斷模式下,可以等效為零狀態響應電路,BK1 和BK2 斷口間預期TRV 基本不受高分裂耦合電抗器支路、以及雜散電容的影響,預期TRV 低于標準值；

(2)限流開斷模式下,BK1 在第一和第二過零點的預期TRV 均低于標準值。BK2 在第二個過零點的預期TRV 上升率RRRV 高于標準值,通過在分裂電抗器支路并聯1 000 Ω 電阻可以將RRRV 降至5.5 kV/μs,小于標準要求的6.0 kV/μs。