基于高耦合分裂电抗器的短路发电机保护断路器TRV,仿真与分析

宋 薇 ，史望聪 ，管伟军

(1.陕西交通职业技术学院轨道交通学院,陕西 西安 710018；
2.中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所,北京 100081)

以短路发电机为电源的试验系统具有对电网影响小、出力大的优点,近些年在国内建立了很多以短路发电机为电源的大容量试验站。随着我国电网电压等级、开关电器短路开断容量的不断增大,短路发电机的短路容量从2 500 MVA 上升到6 500 MVA,并且从单台机组独立运行发展到现在的多台机组并联运行。

大容量短路发电机试验系统主要用于进行开关电器的短路开断试验、动热稳定和内部故障试验,这些试验要求的试验容量都比较大。因此,当试验回路发生短路故障,尤其是发电机出口端发生短路故障时,要求发电机保护断路器必须可靠地切除短路故障,保证试验系统和被试产品的安全。目前,国内外的大电流开断技术主要有串联限流电抗器、电流转移以及并联开断技术[1-4],我国大容量试验站普遍采用高耦合分裂电抗器(High Coupling Split Reactor,HCSR)与两台真空发电机断路器所组成的并联开断技术[5-6]。

基于高耦合分裂电抗器与两台真空发电机断路器组成的并联开断装置,由于两台断路器机构的分散性,灭弧室开断性能的差异性,将存在均流开断和限流开断两种情况。分裂电抗器的存在导致两种开断模式不同于单台发电机断路器的短路开断工况。因此,并联开断短路故障以后,标准《IEC/IEEE 62271-37-013 高压交流发电机断路器》以及《GB/T 14824-2008 高压交流发电机断路器》中所规定的预期参数将可能不再适用于并联技术下断路器的预期暂态恢复电压(Transient Recovery voltage,TRV)TRV 参数[7-8]。

本文将分别在两种开断情况下,建立短路电流开断瞬间的等效电路,研究两台发电机断路器端口间TRV 特征,以额定电压14 kV、短路容量6 500 MVA发电机出口端短路故障为例,仿真计算并联开断装置在两种开断模式下的TRV 参数。

1.1 试验系统及并联开断

基于高耦合分裂电抗器与两台真空发电机断路器所组成的并联开断装置是短路发电机试验系统的重要保护设备,高耦合分裂电抗器为干式空心型,耦合系数0.95。当试验系统发生短路故障时,并联开断装置可以快速切除短路故障,保护短路发电机不受破坏,试验系统的原理见图1 所示。

图1 中,G为短路发电机,C为发电机出口杂散电容,HCSR 为高耦合分裂电抗器,BK1、BK2 分别为HCSR 两条支路上串联的真空发电机断路器,MK为合闸开关,L和R为试验系统的调节电抗器和电阻器,SP 为被试品。

图1 短路发电机试验系统及并联开断技术原理图

如图1 所示,HCSR 的耦合系数为0.95,结构上采用两组反向绕制的线圈。在试验回路正常工作或发生短路故障开断之前,分裂电抗器两条支路流过的试验电流基本相等,两支路产生大小相等、方向相反的磁通,耦合电抗器对外表现为数值很小的漏阻抗,电抗器对外部的电路系统呈现的阻抗约为零,可以得出高耦合分裂电抗器的电路方程为:

以6 500 MVA 短路发电机为电源的试验系统,当发电机出口端发生短路故障时,在发电机额定电压下的短路电流(有效值)达到160 kA,如果不能快速切除短路故障,发电机将承受很大的电动力和热负荷。国内技术成熟的真空发电机断路器最大开断电流可以达到120 kA,因此,开发出基于高耦合分裂电抗器与两台真空发电机断路器所组成的并联开断装置,成功解决了短路电流开断的问题。

在发电机出口或试验回路其他部分发生短路故障的情况下,当两台断路器在同一时刻过零开断短路故障,各开断二分之一的短路故障电流,为均流开断模式；
当两台断路器不在同一时刻开断短路故障,其中一台断路器先开断短路故障,分裂电抗器支路串入电路中,另外一台断路器开断降低的故障电流,为限流开断模式。

1.2 电路模型

根据图1 所示的短路试验系统原理,发电机断路器出口端的短路故障对其考核是最为严苛的,本文将在这种工况下分析与计算断路器BK1、BK2 开断过程中的TRV 参数,经过简化分析及电路等效,可得出基于高耦合分裂电抗器的真空断路器并联开断等效电路,如图2 所示。

图2 中,G为短路发电机,LS为发电机及母线电抗,RS、CS为发电机侧对地的阻尼支路,L1、L2、M为分裂电抗器支路1 自感、支路2 自感、支路间互感,C1、C2为电抗器轴向分布匝间电容的等效并联电容,C3、C4为电抗器支路1、支路2 的对地电容。由于耦合电抗器的对称性,L1≈L2,C1≈C2,C3≈C4。

图2 系统等效电路模型

由前面的分析可知,在均流和限流两种开断模式下,真空断路器开断的短路电流均低于发电机出口处短路的故障电流。为了简化分析,假设分裂电抗器两条支路完全对称,即L1＝L2＝M。则短路故障开断前的边界条件为:

下面分别讨论均流开断和限流开断两种情况下,短路电流开断瞬间图2 所示的电路元件上电位分布的初始条件,以及计算断路器断口间的预期TRV 参数、电抗器承受暂态电压的等效电路。

2.1 均流开断模式下的等效计算

均流开断模式下,两台断路器同时开断故障电流。根据式(2)所示的短路故障开断前的边界条件,可以得出开断瞬间,图2 所示的电路中节点1、2、3 上的初始电位均为零,因此BK1、BK2 开断后断路器断口间预期TRV 的求解等效电路如图3 所示,由于分裂电抗器对外呈现零阻抗,节点1、2 上的暂态电位相等,为断路器断口间的预期暂态恢复电压。

图3 均流开断等效计算电路

2.2 限流开断模式下的等效计算

限流开断模式下,两台发电机真空断路器先后开断故障电流。假定图2 中BK1 先于BK2 过零开断,BK2 在下一个过零点(间隔10 ms 后)开断,可以得出BK1、BK2 开断后断路器断口间预期TRV 的求解等效电路如图4 所示,节点2 的暂态电压为断路器CB1 断口间的TRV,节点3 的暂态电压为断路器CB2 断口间的预期暂态恢复电压。

图4 限流开断等效计算电路

通过对并联开断装置在均流开断和限流开断两种工况下的初始状态,以及保护断路器BK1、BK2 开断短路故障后预期TRV 计算的等效电路分析与研究,下面以额定电压为14 kV、短路容量为6 500 MVA的短路发电机出口端短路故障为例,计算两台并联的真空断路器在两种开断模式下的预期TRV 参数,并进行设备选型说明。

3.1 算例分析与TRV 计算

对应于图2 所示的等效电路,下边分别从均流和限流两种模式下进行仿真计算与分析,具体的计算参数设置如表1 所示。

表1 参数设置

3.1.1 均流开断模式下TRV 计算

根据2.1 节的等效计算电路,结合表1 中的参数,应用EMTP 程序计算得到保护断路器BK1、BK2的预期TRV 波形如图5 所示,应用参考文献[9]所提及的方法,读取到TRV 的参数为:Uc＝28.7 kV,t3＝43.0 μs,td＝3.1 μs。其中,Uc为第一包络线和第三包络线交点的纵坐标(代表电压峰值),t3为第一包络线和第三包络线交点的横坐标(代表电压峰值参考时间),td为第二包络线和时间轴交点的横坐标(代表时延)。

图5 均流开断模式下TRV 仿真结果

IEC 标准《IEC/IEEE 62271-37-013:2014 高压交流发电机断路器》表4 中规定发电机断路器开断发电机源故障的TRV 标准值参数为Uc＝27.6 kV,t3＝12.6 μs,td＝0.5 μs。根据上述数据,可以得出在均流开断模式下,预期TRV 参数Uc在标准值参数的1.05 倍的范围内,TRV 的上升率(RRRV)低于标准值参数,时延(td)高于标准值参数,考核均远低于标准值参数,这说明在均流开断模式下,并联开断装置可以开断短路故障,发挥保护断路器的作用。

此外,增大发电机出口端并联阻尼支路的电阻值可以进一步降低TRV 的峰值Uc,当电阻值Rs分别取2 Ω、4 Ω、8 Ω 时,预期的TRV 波形如图5 所示。从图中可以看出,随着RS的增大,Uc在逐渐降低,t3和td在逐渐减小,但RRRV 在相对增大。进一步可以得出结论:Uc的下降幅度较明显,RRRV的增大幅度有限,整体上随着RS的增大,在均流开断模式下,对BK1、BK2 的开断是有利的。

图6 不同阻尼电阻对TRV 参数的影响

3.1.2 限流开断模式下TRV 计算

根据2.2 节的等效计算电路,结合表1 中的参数,假设BK1 在第一个电流过零点(0 s 时刻)开断,BK2 在第二个电流过零点(0.01 s 时刻)开断。BK1在电流过零点1 和电流过零点2 的TRV 波形,以及BK2 在第二个过零点的TRV 波形如图7 所示。

图7 BK1、BK2 在第一、第二过零点预期TRV 仿真结果

BK1 在第一、第二个过零点的预期TRV 局部放大图分别如图8(a)、图8(b)所示,应用参考文献[9]所提及的方法,由图8(a)读取到BK1 过零开断后的TRV 的参数为:Uc＝17.4 kV,t3＝32.8 μs,td＝2.2 μs；
由图8(b)可以看到,在BK2 开断后,暂态电压叠加到BK1 断路器断口间原有的工频恢复电压上,暂态电压的峰值为22.1 kV,t3＝43.9 μs,td＝4.0 μs。因此,在第一和第二过零点,BK1 的预期TRV 参数均小于《IEC/IEEE 62271-37-013:2014 高压交流发电机断路器》表4 中的规定值,这说明在限流开断模式下,BK1(首开极)可以开断短路故障。

图8 BK1 在第一和第二过零点预期TRV 的局部放大图

BK2 在第二个过零点开断短路电流,预期TRV局部放大如图9 所示,可以看出,TRV 波形的振荡比较严重,这主要是所在支路的杂散电容引起的,而且该TRV 波形不同于现有国家标准《GB1984-2014高压交流断路器》[10]中给出的两参数TRV 波形,偏似于四参数TRV 波形[9],为了严格考核,读取第一个振荡波的上升率RRRV 和时延td,读取波形最高峰为Uc,得出TRV 参数为:Uc＝26.4 kV,RRRV＝6.58 kV/μs,td＝0.5 μs。

图9 BK2 在第二过零点预期TRV 局部放大图

《IEC/IEEE 62271-37-013:2014 高压交流发电机断路器》表3 中规定发电机断路器开断系统源故障的TRV 标准值参数为Uc＝27.6 kV,RRRV＝6.0 kV/μs,td＝1.0 μs。根据上述数据,可以得出在限流开断模式下,预期TRV 参数Uc低于标准值参数,上升率(RRRV)和时延(td)超标(即(td)小于标准值),有可能导致开断失败。

为了改善BK2 的开断条件,在分裂电抗器的每条支路上分别并联阻值为5 000 Ω 和1 000 Ω 的电阻,仿真计算波形如图10 所示。Uc分别降低为23.8 kV 和21.9 kV,RRRV 分别降低为6.4 kV/μs、5.5 kV/μs,td的读数约为0.5 μs,无明显变化,根据应用经验,受杂散电容的影响,td的实际值大于1.0 μs。因此,当并联电阻值为1 000 Ω 时,可以满足标准规定的参数要求,BK2 可以开断短路故障。

图10 不同并联电阻对TRV 参数的影响

3.2 设备选型

根据表1 中的数据,可以计算得出在均流开断模式下,两台真空发电机断路器总的短路开断电流为160 kA,每台真空发电机断路器的短路开断电流为80 kA。在限流模式下,第一台开断的真空发电机断路器的短路开断电流为80 kA,第二台开断的真空发电机断路器的短路开断电流为63 kA。因此,发电机断路器技术参数为:额定电压15 kV,短路开断电流为80 kA。我国已有真空灭弧室厂家在2003 年研发成功了12 kV/80 kA 的大容量发电机断路器用灭弧室[11],并按照国家标准在国家高压电器检测中心完成全部的短路开断试验。

随着技术的发展,我国某真空灭弧室厂家引用了先进的设计技术,已成功开发了15 kV/120 kA 的大容量发电机断路器用灭弧室,已通过短路开断试验,并在国内6 500 MVA 大容量发电机试验系统中成功应用。

基于高耦合分裂电抗器(HCSR)的保护断路器是大容量试验站发电机系统的重要保护装置,本文通过对其在均流开断和限流开断模式下进行电路等效和仿真计算,得出以下结论:

(1)均流开断模式下,可以等效为零状态响应电路,BK1 和BK2 断口间预期TRV 基本不受高分裂耦合电抗器支路、以及杂散电容的影响,预期TRV 低于标准值；

(2)限流开断模式下,BK1 在第一和第二过零点的预期TRV 均低于标准值。BK2 在第二个过零点的预期TRV 上升率RRRV 高于标准值,通过在分裂电抗器支路并联1 000 Ω 电阻可以将RRRV 降至5.5 kV/μs,小于标准要求的6.0 kV/μs。