變電站直流電源全部消失后斷路器緊急跳閘方案研究

徐志強(qiáng)

（山西地方電力有限公司電網(wǎng)分公司，山西 太原 030001）

0 引言

直流系統(tǒng)是一個(gè)長(zhǎng)期帶電、不間斷工作的獨(dú)立電源，它支路多、負(fù)荷涉及面廣、不受系統(tǒng)運(yùn)行方式影響，并在外部交流電源中斷的情況下，保證由蓄電池繼續(xù)提供直流電源的重要設(shè)備，是變電站最重要的系統(tǒng)之一。它主要由整流模塊、直流饋電單元、絕緣監(jiān)測(cè)和蓄電池等組成，負(fù)荷包括電氣設(shè)備的控制、信號(hào)、測(cè)量和繼電保護(hù)及其自動(dòng)裝置、操作機(jī)構(gòu)直流電動(dòng)機(jī)、斷路器電磁操動(dòng)的合閘機(jī)構(gòu)、站內(nèi)交流不停電電源系統(tǒng)、遠(yuǎn)動(dòng)裝置電源和事故照明等。直流系統(tǒng)會(huì)由于環(huán)境改變、氣候變化、污染、高溫等引起電纜老化、接線端子老化、元件損壞以及設(shè)備本身等問(wèn)題引起絕緣水平下降。一般來(lái)說(shuō)，投運(yùn)時(shí)間越長(zhǎng)，其接地的概率越高。當(dāng)直流系統(tǒng)中發(fā)生一點(diǎn)接地時(shí)，一般情況下并不影響系統(tǒng)運(yùn)行，但需要及時(shí)查找接地點(diǎn)并進(jìn)行處理；當(dāng)出現(xiàn)2 點(diǎn)及2 點(diǎn)以上接地時(shí)，便可能構(gòu)成接地短路，造成繼電保護(hù)、信號(hào)、自動(dòng)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)，或造成直流保險(xiǎn)熔斷，使保護(hù)及自動(dòng)裝置、控制回路失去電源。在復(fù)雜的保護(hù)回路中同極2 點(diǎn)接地，還可能使某些保護(hù)不能動(dòng)作與跳閘，致使保護(hù)越級(jí)跳閘。因此，保障直流系統(tǒng)的安全供電是變電站保護(hù)、自動(dòng)化等系統(tǒng)正常工作的必要條件。近年來(lái)，電力系統(tǒng)發(fā)生了多起由于直流電源失電，導(dǎo)致故障時(shí)斷路器拒動(dòng)，引起主變被燒毀的事故，給電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來(lái)巨大影響。

事故一：山西電網(wǎng)“7·20”事故。1999 年7月20 日8 時(shí)54 分58 秒，山西電網(wǎng)220 kV 新店變電站2 號(hào)主變10 kV B 段802 斷路器的隔離刀閘下插頭相間閃絡(luò)發(fā)生三相短路，10 kV 斷路器開斷故障失敗，滅弧室燒毀，配電裝置起?。挥捎跀嗦菲鞴窠拥夭涣?，致使柜體所帶的高壓電經(jīng)柜內(nèi)控制和合閘電纜串入直流回路，直流回路絕緣被擊穿、短路，直流系統(tǒng)的控制母線直接短路，致使保護(hù)裝置的直流電源消失。由于本站所有保護(hù)不能出口跳閘，之后引起鄰近的110 kV 東母A相單相接地短路，再發(fā)展為AB 兩相接地短路，最后發(fā)展為三相短路；三相短路后造成220 kV 母線發(fā)生A 相接地故障，發(fā)展為AB 兩相接地故障，之后又發(fā)展為三相短路。新店220 kV 母線三相短路數(shù)秒后，山西電網(wǎng)7 臺(tái)200 MW 以上發(fā)電機(jī)組相繼跳閘。

這次事故燒毀了1 號(hào)主變等設(shè)備，主控室著火并將大部分保護(hù)設(shè)備燒毀，事故殃及山西電網(wǎng)并波及華北主網(wǎng)。

事故二：陜西電網(wǎng)“6·18”事故。2016 年6月18 日0 時(shí)28 分，330 kV 南郊變（110 kV 韋曲變） 站外35 kV 韋里III 線故障，韋曲變35 kV、10 kV 母線電壓降低，1 號(hào)、2 號(hào)、0 號(hào)站用變壓器低壓側(cè)脫扣跳閘，直流系統(tǒng)失去交流電源。事故期間，330 kV 南郊變（110 kV 韋曲變） 改造更換后的兩組新蓄電池至兩段母線之間的刀閘在斷開位置，充電屏交流電源失去后，造成直流母線失壓，導(dǎo)致全站保護(hù)裝置及操作電源失效，站內(nèi)保護(hù)無(wú)法動(dòng)作，造成故障越級(jí)，最后依靠對(duì)側(cè)變電站后備保護(hù)切除故障。

事故造成330 kV 南郊變及110 kV 韋曲變等8 座110 kV 變電站失壓，共計(jì)損失負(fù)荷24.3 萬(wàn)kW，停電用戶8.65 萬(wàn)戶；事故造成330 kV 南郊變電站1 號(hào)、2 號(hào)主變噴油，3 號(hào)變燒損。

上述兩起重大事故均因變電站失去直流電源，站內(nèi)保護(hù)裝置不能動(dòng)作，使得事故范圍擴(kuò)大，導(dǎo)致變壓器燒損。如果在變電站失去全部直流電源后，能將故障快速隔離，將可能防止設(shè)備損壞，限制故障波及范圍。目前，國(guó)內(nèi)外類似的研究?jī)H限于將電解電容器儲(chǔ)能后用于控制和保護(hù)為同一電源的電磁型繼電器構(gòu)成的低壓系統(tǒng)，并未對(duì)控制和保護(hù)電源分開的更高電壓等級(jí)系統(tǒng)開展相關(guān)研究。因此，開展高壓、超高壓系統(tǒng)變電站直流電源全部消失后故障隔離或斷路器緊急跳閘方案的研究顯得十分必要。

1 直流電源全部消失后斷路器緊急跳閘系統(tǒng)的提出

變電站直流電源全部消失后，站內(nèi)所有由直流電源供電的設(shè)備均不能動(dòng)作，只能依靠非電量的保護(hù)或者裝置實(shí)現(xiàn)故障判別和隔離。綜合全站所有一、二次設(shè)備的特征，只有變壓器的瓦斯繼電器和壓力釋放閥可以輸出非電量的接點(diǎn)。另外，變電站直流電源全部失去后，與之相連變電站的線路后備保護(hù)范圍內(nèi)的故障（線路主保護(hù)縱聯(lián)保護(hù)因一端保護(hù)裝置失去直流電源而不能動(dòng)作），可由后備保護(hù)延時(shí)切除；但在變壓器低壓側(cè)故障時(shí)，則有可能超出了后備保護(hù)的范圍，這無(wú)疑對(duì)變壓器造成巨大危害。由此可以看出，變電站失去全部直流電源后發(fā)生任何故障，都會(huì)對(duì)變壓器造成危害，在變壓器低壓側(cè)發(fā)生故障，則造成的危害更嚴(yán)重。因此，本文提出由變壓器瓦斯繼電器或者壓力釋放閥結(jié)合超級(jí)電容器和其他輔助環(huán)節(jié)組成一個(gè)全部機(jī)械接點(diǎn)的控制回路，用來(lái)完成變壓器各側(cè)斷路器的開斷和故障隔離。站內(nèi)直流電源全部消失的判別以安裝在直流電源母線的電磁型電壓繼電器來(lái)完成。下面以全站僅兩段直流母線系統(tǒng)為例，詳述在變電站直流電源全部消失后一臺(tái)變壓器各側(cè)斷路器的緊急跳閘系統(tǒng)（站內(nèi)每臺(tái)變壓器均裝設(shè)同樣系統(tǒng)）。系統(tǒng)構(gòu)成見圖1。

在圖1 緊急跳閘系統(tǒng)中，l1、l2、l3、l4、l5為各支路電纜長(zhǎng)度；C為超級(jí)電容器。正常運(yùn)行情況下，充電機(jī)從站用變壓器處獲得電源，經(jīng)整流后為直流母線供電，并為蓄電池充電（圖1 中未畫出充電機(jī)和蓄電池）；第一段直流母線和第二段直流母線上安裝的直流電磁型電壓繼電器J1、J2吸合，常閉接點(diǎn)J1-1、J1-2、J1-3和J2-1、J2-2、J2-3打開；當(dāng)?shù)谝欢沃绷髂妇€和第二段直流母線全部失電時(shí)，繼電器J1、J2失電返回，常閉接點(diǎn)J1-1、J1-2、J1-3和J2-1、J2-2、J2-3閉合，如此時(shí)變壓器重瓦斯繼電器（或者壓力釋放閥） 動(dòng)作，接點(diǎn)閉合，則超級(jí)電容放電回路接通變壓器三側(cè)斷路器跳閘線圈，斷路器跳閘將變壓器從系統(tǒng)中切除；當(dāng)直流全部消失時(shí)也可由運(yùn)行人員接調(diào)度命令手動(dòng)按下“事故按鈕”斷開變壓器各側(cè)斷路器。如只有一段直流母線失電，表明不是全站失去直流電源，超級(jí)電容放電回路與變壓器三側(cè)斷路器跳閘回路并不聯(lián)通。

對(duì)于低壓側(cè)沒有電源的變壓器，該系統(tǒng)也可以只接通高中壓側(cè)斷路器跳閘線圈，斷開高、中壓兩側(cè)斷路器即可將故障隔離。另外，按照斷路器技術(shù)的相關(guān)規(guī)范，當(dāng)斷路器控制電源直流電壓≤30%Un（Un為變電站直流電源額定電壓） 時(shí)，禁止斷路器分合閘，為此第一、第二段母線上安裝的直流電磁型電壓繼電器J1、J2的電壓整定值范圍為0～30%Un。

圖1 兩段直流電源母線全部消失后斷路器緊急跳閘系統(tǒng)

2 基于跳閘線圈電壓的超級(jí)電容值選擇

斷路器緊急跳閘系統(tǒng)實(shí)際上是超級(jí)電容器通過(guò)相關(guān)接點(diǎn)對(duì)斷路器跳閘線圈的放電過(guò)程，因而斷路器跳閘線圈的直流電阻和系統(tǒng)回路電纜長(zhǎng)度及截面積就是與之相關(guān)的主要參數(shù)，而各斷路器生產(chǎn)廠家在斷路器跳閘線圈的額定電流、直流電阻等方面差異較大。為了能更好地模擬斷路器跳閘線圈特性，查閱相關(guān)資料得到部分?jǐn)嗦菲魈l線圈的相關(guān)參數(shù)（見表1）。本文根據(jù)圖1 中各支路的電纜長(zhǎng)度分別采用2.5 mm2和1.5 mm2截面積的單芯電纜計(jì)算電阻值，結(jié)果見表2。下面以西安西電高壓開關(guān)有限責(zé)任公司LW13A-500Y 斷路器[1]、北京ABB 高壓開關(guān)設(shè)備有限公司ABB HPL245B1斷路器[2]和35 kV 山東泰開高壓開關(guān)有限公司KYN61-40.5 鎧裝型移開式室內(nèi)交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備[3]為例，對(duì)該系統(tǒng)的超級(jí)電容值進(jìn)行初步選擇。

為了選擇滿足斷路器跳閘線圈所需能量的電容值，按照?qǐng)D1 中500 kV 變壓器的緊急跳閘系統(tǒng)方案建立如圖2 所示的模擬電路示意圖。圖2 中500 kV、220 kV 以及35 kV 斷路器跳閘線圈用直流電阻R500、R220、R35模擬，以電容器C模型代替超級(jí)電容器，正極回路電阻用R+表示，負(fù)極回路電阻用R-表示。各回路電阻計(jì)算值見表3。

表1 變壓器高、中、低壓三側(cè)斷路器參數(shù)

表2 各支路單芯電纜長(zhǎng)度、截面積及電阻計(jì)算值[4]

圖2 電容值初選計(jì)算示意圖

表3 各回路電阻計(jì)算值

由于斷路器跳閘線圈的電感值和超級(jí)電容器的內(nèi)阻很小，影響有限，所以在計(jì)算初選電容值時(shí)忽略不計(jì)。計(jì)算時(shí)電容電壓UC=U×e（-t/RZC），其中，U為電容器初始電壓，RZ為系統(tǒng)總電阻。

規(guī)程規(guī)定：斷路器跳閘時(shí)，跳閘線圈兩端不得小于85%~90%的額定電壓，即187～198 V。為此本文確定在電容器放電到0.1 s（實(shí)際斷路器動(dòng)作時(shí)限要小于0.1 s） 時(shí)斷路器跳閘線圈兩端電壓仍然維持在198 V 水平。對(duì)于每一時(shí)刻而言，電容器電壓是回路壓降、電纜壓降和線圈上電壓之和，由此可以計(jì)算出初選電容值。

2.1 回路使用1.5 mm2 電纜時(shí)的電容值計(jì)算

2.1.1 緊急跳閘系統(tǒng)斷開變壓器高、中、低三側(cè)斷路器方案電容值初選

當(dāng)t=0.1 s，500 kV 斷路器跳閘線圈兩端電壓為198 V 時(shí)的支路電壓U500=（198/（R500/3））×（R500/3+4.84）=217.17 V。

當(dāng)t=0.1 s，220 kV 斷路器跳閘線圈兩端電壓為198 V 時(shí)的支路電壓U220=（198/（R220/3））×（R220/3+9.68）=225.49 V。

當(dāng)t=0.1 s，35 kV 斷路器跳閘線圈兩端電壓為198 V 時(shí)的支路電壓U35=（198/R35）×（R35+14.52）=210.53 V。

取3 個(gè)支路中最高電壓U220計(jì)算的各支路電流如下：I550=225.49/（R500/3+4.84）=4.11 A；I220=225.49/（R220/3+9.68）=2.83 A；I35=225.49/（R35+14.52）=0.92 A。

3 個(gè)電壓等級(jí)斷路器跳閘線圈支路0.1 s 時(shí)的總電流IZ=4.11+2.83+0.92=7.86 A。忽略電容器內(nèi)阻，t=0.1 s 時(shí)電容器兩端電壓Uc=7.86×（28.68+10.89+1.21）=325.53 V。

如選擇初始電壓U=330 V，t=0.1 s 時(shí)，由式U×e（-t/RZC）=325.53 可計(jì)算出電容值C=0.18 F。

2.1.2 緊急跳閘系統(tǒng)斷開變壓器高、中兩側(cè)斷路器方案電容值初選

當(dāng)t=0.1 s，500 kV 斷路器跳閘線圈兩端電壓為198 V 時(shí)的支路電壓U500=（198/（R500/3））×（R500/3+4.84）=217.17 V。

當(dāng)t=0.1 s，220 kV 斷路器跳閘線圈兩端電壓為198 V 時(shí)的支路電壓U220=（198/（R220/3））×（R220/3+9.68）=225.49 V。

取兩個(gè)支路中最高電壓U220計(jì)算各支路電流如下：I500=225.49/（R500/3+4.84）=4.11 A；I220=225.49/（R220/3+9.68）=2.83 A。

兩個(gè)電壓等級(jí)斷路器跳閘線圈支路0.1 s 時(shí)的總電流IZ=4.11+2.83=6.94 A。

忽略電容器內(nèi)阻，t=0.1 s 時(shí)電容器兩端電壓Uc=6.94×（32.48+10.89+1.21）=309.39 V。

如選擇初始電壓U=330 V，t=0.1 s 時(shí)，由式U×e（-t/RZC）=309.39 可計(jì)算出電容值C=0.035 F。

2.2 回路使用2.5 mm2 電纜時(shí)的電容值計(jì)算

2.2.1 緊急跳閘系統(tǒng)斷開變壓器高、中、低三側(cè)斷路器方案電容值初選

當(dāng)t=0.1 s，500 kV 斷路器跳閘線圈兩端電壓為198 V 時(shí)的支路電壓U500=（198/（R500/3））×（R500/3+2.964）=209.74 V。

當(dāng)t=0.1 s，220 kV 斷路器跳閘線圈兩端電壓為198 V 時(shí)的支路電壓U220=（198/（R220/3））×（R220/3+5.928）=214.88 V。

當(dāng)t=0.1 s，35 kV 斷路器跳閘線圈兩端電壓為198 V 時(shí)的支路電壓U35=（198/R35）×（R35+8.892）=205.69 V。

在3 個(gè)支路中取電壓最高支路電壓U220進(jìn)行計(jì)算，得到各支路電流如下：I550=214.88/（R500/3+2.964）=4.06 A；I220=214.88/（R220/3+5.928）=2.83 A；I35=214.88/（R35+8.892）=0.9 A。

3 個(gè)電壓等級(jí)斷路器跳閘線圈回路0.1 s 時(shí)的總電流IZ=4.06+2.83+0.9=7.79 A。

忽略電容器內(nèi)阻，t=0.1 s 時(shí)電容器兩端電壓Uc=7.79×（27.6+6.669+0.741）=272.73 V。

如選擇初始電壓為U=275 V，t=0.1 s 時(shí)，由式U×e（-t//RZC）=272.73 可計(jì)算出電容值C=0.345 F。

2.2.2 緊急跳閘系統(tǒng)斷開變壓器高、中兩側(cè)斷路器方案電容值初選

當(dāng)t=0.1 s，500 kV 斷路器跳閘線圈兩端電壓為198 V 時(shí)的支路電壓U500=（198/（R500/3））×（R500/3+2.964）=209.74 V。

當(dāng)t=0.1 s，220 kV 斷路器跳閘線圈兩端電壓為198 V 時(shí)的支路電壓U220=（198/（R220/3））×（R220/3+5.928）=214.88 V。

在兩個(gè)支路中取最高支路電壓U220進(jìn)行計(jì)算，得到各支路電流如下：I500=214.88/（R500/3+2.964）=4.06 A；I220=214.88/（R220/3+5.928）=2.83 A。

兩個(gè)電壓等級(jí)斷路器跳閘線圈支路0.1 s 時(shí)的總電流IZ=4.06+2.83=6.89 A。

忽略電容器內(nèi)阻，t=0.1 s 時(shí)電容器兩端電壓Uc=6.89×（31.2+6.669+0.741）=266.02 V。

如選擇初始電壓U=275 V，t=0.1 s 時(shí)，由式U×e（-t//RZC）=266.02 可計(jì)算出電容值C=0.078 F。

綜上所述，當(dāng)電容器初始電壓選擇330 V，考慮電容器電壓衰減，回路使用1.5 mm2電纜，超級(jí)電容值C≥0.18 F 時(shí)，能夠滿足變壓器三側(cè)斷路器斷開時(shí)跳閘線圈兩端的電壓要求；當(dāng)超級(jí)電容值C≥0.035 F 時(shí)，能夠滿足變壓器兩側(cè)斷路器斷開時(shí)跳閘線圈兩端的電壓要求。當(dāng)電容器初始電壓選擇275 V，考慮電容器電壓衰減，回路使用2.5 mm2電纜，超級(jí)電容值C≥0.345 F 時(shí)，能夠滿足變壓器三側(cè)斷路器斷開時(shí)跳閘線圈兩端的電壓要求；當(dāng)超級(jí)電容值C≥0.078 F 時(shí)，能夠滿足變壓器兩側(cè)斷路器斷開時(shí)跳閘線圈兩端的電壓要求。因回路使用1.5 mm2電纜時(shí)的電阻大于使用2.5 mm2電纜時(shí)的電阻，為保證斷路器跳閘線圈兩端電壓滿足規(guī)程要求，使用1.5 mm2電纜時(shí)電容器初始電壓較使用2.5 mm2電纜時(shí)更高。綜合各種因素，回路使用2.5 mm2電纜較好。對(duì)于斷路器跳閘線圈額定電壓為110 V 時(shí)，利用同樣方法，可以求出初選的超級(jí)電容值。由于未計(jì)及電容器內(nèi)阻，所以計(jì)算的電容值會(huì)比實(shí)際稍小。

3 仿真分析

超級(jí)電容器是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種介于電容器和化學(xué)電池之間的新型儲(chǔ)能元件，其作為儲(chǔ)能元件具有電容值大、高的比功率、低的能量比、充放電壽命長(zhǎng)、快速充放電、儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬、高可靠性等特點(diǎn)，其特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于蓄電池，而且通過(guò)測(cè)量超級(jí)電容器的端電壓，就可以計(jì)算出超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能量，可以方便儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量管理[5]。

3.1 超級(jí)電容器的等效模型

由于用活性炭作為電極的雙電層超級(jí)電容器價(jià)格相對(duì)便宜，技術(shù)也比較成熟，所以應(yīng)用比較廣泛，因此對(duì)碳電極雙電層超級(jí)電容器的等效模型進(jìn)行分析。目前，超級(jí)電容器的等效電路模型主要有經(jīng)典拜德極化電池模型和Newman 等人提出的傳輸線兩種模型。對(duì)于超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)，采用精細(xì)的等效電路模型雖然能夠提高系統(tǒng)模型精確度，但也會(huì)帶來(lái)模型的復(fù)雜化。從功率變換器的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，超級(jí)電容器可采用簡(jiǎn)單的集總電路模型，這樣可以大大減化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，超級(jí)電容器集總電路模型如圖3 所示。

圖3 超級(jí)電容器集總電路模型

超級(jí)電容器可等效為一個(gè)理想電容器C并聯(lián)一個(gè)阻值較大的等效電阻Rep后串聯(lián)一個(gè)阻值較小的等效電阻Res。由于等效串聯(lián)內(nèi)阻很小，因而超級(jí)電容器的充放電時(shí)間常數(shù)很小，可以允許以很大的速率充放電。因此，超級(jí)電容器可以在數(shù)十秒或數(shù)分鐘的時(shí)間內(nèi)完成快速充電或放電。

3.2 仿真驗(yàn)證

按照?qǐng)D1 利用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD 建立的仿真模型（見圖4） 對(duì)初選的電容值進(jìn)行仿真驗(yàn)證。其中500 kV、220 kV 斷路器用3 條支路表示；35 kV 斷路器用1 條支路表示。為了與實(shí)際情況相符，模型中各回路的電纜長(zhǎng)度和參數(shù)見表1、表2 及表3。采用交流電源經(jīng)二極管整流后為電容器充電，充電結(jié)束后，斷開充電回路，然后模擬超級(jí)電容器向線圈支路放電，檢驗(yàn)其能否滿足放電到0.1 s 時(shí)各斷路器跳閘線圈兩端電壓維持在額定電壓的90%以上。仿真時(shí)超級(jí)電容器并聯(lián)電阻取105Ω，串聯(lián)電阻取0.05 Ω。

3.2.1 回路使用1.5 mm2電纜時(shí)緊急跳閘系統(tǒng)斷

開變壓器高中低壓三側(cè)斷路器方案

按照?qǐng)D4 的仿真模型對(duì)超級(jí)電容器放電斷開500 kV、220 k 和35 kV 斷路器進(jìn)行仿真。仿真中20 s 之前未接通電容器放電回路，放電電壓為0；20 s 時(shí)電容器開始對(duì)變壓器高中低壓三側(cè)斷路器跳閘線圈放電。仿真結(jié)果如圖5、圖6（高中壓側(cè)斷路器跳閘線圈電流以單相表示，其余兩相結(jié)果相同） 所示。

圖4 變壓器高中低壓三側(cè)斷路器仿真模型

圖5 變壓器高中低壓三側(cè)斷路器跳閘線圈電壓

圖6 變壓器高中低壓三側(cè)斷路器跳閘線圈電流

由圖5 可以看出，變壓器高壓側(cè)斷路器跳閘線圈放電電壓由20 s 時(shí)的211.1 V 下降到20.1 s時(shí)的208.3 V，變壓器中壓側(cè)斷路器跳閘線圈放電電壓由20 s 時(shí)的203.4 V 下降到20.1 s 時(shí)的200.7 V，變壓器低壓側(cè)斷路器跳閘線圈放電電壓由20 s 時(shí)的217.7 V 下降到20.1 s 時(shí)的214.9 V；由圖6 可以看出，變壓器高壓側(cè)斷路器跳閘線圈電流由20 s時(shí)的1.41 A 下降到20.1 s 的1.39 A，中壓側(cè)斷路器跳閘線圈電流由20 s 時(shí)的0.97 A 下降到20.1 s時(shí)的0.96 A，變壓器低壓側(cè)斷路器跳閘線圈電流由20 s 時(shí)的0.95 A 下降到20.1 s 時(shí)的0.93 A，能夠滿足變壓器三側(cè)斷路器的可靠跳閘要求。

3.2.2 回路使用1.5 mm2電纜時(shí)緊急跳閘系統(tǒng)斷開變壓器高中壓兩側(cè)斷路器方案

當(dāng)變壓器低壓側(cè)沒有電源時(shí)，可采用只斷開高中壓側(cè)斷路器的方案。仿真模型中電容值為0.035 F，僅有高中壓側(cè)兩個(gè)斷路器跳閘線圈支路（見圖7）。仿真結(jié)果見圖8、圖9。

圖7 變壓器高中壓兩側(cè)斷路器仿真模型

圖8 變壓器高、中壓兩側(cè)斷路器跳閘線圈電壓

圖9 變壓器高、中壓兩側(cè)斷路器跳閘線圈電流

由圖8 可以看出，變壓器高壓側(cè)斷路器跳閘線圈放電電壓由20 s 時(shí)的218.1 V 下降到20.1 s時(shí)的204.8 V，變壓器中壓側(cè)斷路器跳閘線圈放電電壓由20 s 時(shí)的210.1 V 下降到20.1 s 時(shí)的198 V；由圖9 可以看出，變壓器高壓側(cè)斷路器跳閘線圈電流由20 s 時(shí)的1.45 A 下降到20.1 s 的1.37 A，中壓側(cè)斷路器跳閘線圈電流由20 s 時(shí)的1.0 A 下降到20.1 s 時(shí)的0.94 A，能夠滿足變壓器兩側(cè)斷路器可靠跳閘的要求。

3.2.3 回路使用2.5 mm2電纜時(shí)緊急跳閘系統(tǒng)斷開

變壓器高中低壓三側(cè)斷路器方案

按照如圖10 所示的仿真模型對(duì)超級(jí)電容器放電斷開500 kV、220 kV 和35 kV 斷路器進(jìn)行仿真。仿真中20 s 之前未接通電容器放電回路，放電電壓為0；20 s 時(shí)電容器對(duì)變壓器高中低壓三側(cè)斷路器跳閘線圈放電。仿真結(jié)果見圖11、圖12（高中壓側(cè)斷路器跳閘線圈電流以單相表示，其余兩相結(jié)果相同）。

圖10 變壓器高中低壓三側(cè)斷路器仿真模型

圖11 變壓器高、中、低壓三側(cè)斷路器跳閘線圈電壓

圖12 變壓器高、中、低壓三側(cè)斷路器跳閘線圈電流

由圖11 可以看出，變壓器高壓側(cè)斷路器跳閘線圈放電電壓由20 s 時(shí)的204.8 V 下降到20.1 s時(shí)的203.2 V，變壓器中壓側(cè)斷路器跳閘線圈放電電壓由20 s 時(shí)的200 V 下降到20.1 s 時(shí)的198.3 V，變壓器低壓側(cè)斷路器跳閘線圈放電電壓由20 s 時(shí)的208.9 V 下降到20.1 s 時(shí)的207.2 V；由圖12可以看出，變壓器高壓側(cè)斷路器跳閘線圈電流由20 s 時(shí)的1.36 A 下降到20.1 s 的1.35 A，中壓側(cè)斷路器跳閘線圈電流由20 s 時(shí)的0.95 A 下降到20.1 s 時(shí)的0.94 A，變壓器低壓側(cè)斷路器跳閘線圈電流由20 s 時(shí)的0.91 A 下降到20.1 s 的0.9 A，能夠滿足變壓器三側(cè)斷路器可靠跳閘的要求。

3.2.4 回路使用2.5 mm2電纜時(shí)緊急跳閘系統(tǒng)斷開變壓器高中壓兩側(cè)斷路器方案

當(dāng)變壓器低壓側(cè)沒有電源時(shí)，可采用只斷開高中壓側(cè)斷路器的方案。仿真模型中電容值為0.035 F，僅有高中壓側(cè)兩個(gè)斷路器跳閘線圈支路（見圖13）。仿真結(jié)果見圖14、圖15。

圖13 變壓器高中壓兩側(cè)斷路器仿真模型

圖14 變壓器高、中兩側(cè)斷路器跳閘線圈電壓

圖15 變壓器高、中兩側(cè)斷路器跳閘線圈電流

由圖14 可以看出，變壓器高壓側(cè)斷路器跳閘線圈放電電壓由20 s 時(shí)的209.9 V 下降到20.1 s時(shí)的202.9 V，變壓器中壓側(cè)斷路器跳閘線圈放電電壓由20 s 時(shí)的204.9 V 下降到20.1 s 時(shí)的198.1 V；由圖15 可以看出，變壓器高壓側(cè)斷路器跳閘線圈電流由20 s 時(shí)的1.4 A 下降到20.1 s 的1.35 A，中壓側(cè)斷路器跳閘線圈電流由20 s 時(shí)的0.98 A 下降到20.1 s 時(shí)的0.94 A，能夠滿足變壓器兩側(cè)斷路器可靠跳閘的要求。

4 結(jié)論

本文針對(duì)變電站直流電源全部消失后斷路器的緊急跳閘系統(tǒng)進(jìn)行了研究分析，提出了一種實(shí)用的利用超級(jí)電容器放電的變電站直流電源全部消失后斷路器的緊急跳閘系統(tǒng)，進(jìn)行了系統(tǒng)方案中超級(jí)電容值下限值的計(jì)算和仿真驗(yàn)證，得出如下結(jié)論。

a） 提出利用超級(jí)電容器、電磁性直流電壓繼電器及其接點(diǎn)、瓦斯繼電器或壓力釋放閥接點(diǎn)等構(gòu)成的變電站直流電源全部消失后斷路器緊急跳閘系統(tǒng)的方案。它能夠在變電站直流電源全部失去時(shí)，變壓器故障情況下，實(shí)現(xiàn)故障的快速隔離，防止事故范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。

b） 提出一種基于變壓器三側(cè)斷路器跳閘線圈支路最高電壓為基準(zhǔn)的超級(jí)電容下限值的計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了變電站直流電源全部消失后斷路器緊急跳閘系統(tǒng)中超級(jí)電容值的初步計(jì)算。在實(shí)際應(yīng)用中，由于單個(gè)超級(jí)電容器的電壓值較低，為滿足容量和電壓要求使得超級(jí)電容器的電容值較大，因此應(yīng)在斷路器跳閘線圈兩端電壓符合規(guī)程基礎(chǔ)上，選擇初始電壓更低的超級(jí)電容器。

c） 斷路器技術(shù)規(guī)范規(guī)定：當(dāng)直流電壓小于等于30%額定電壓時(shí)，禁止操作斷路器。為此本文提出電磁型直流電壓繼電器電壓值整定范圍為0~30%的額定電壓。

d） 仿真計(jì)算了變電站直流電源全部消失后采用1.5 mm2和2.5 mm2兩種電纜時(shí)緊急跳閘系統(tǒng)斷開變壓器的情況，綜合電容器初始電壓等各種因素，指出系統(tǒng)回路采用2.5 mm2及以上截面積的電纜更實(shí)用。

e） 由于斷路器一般不超過(guò)兩個(gè)跳閘線圈，如采用本文設(shè)計(jì)的緊急跳閘回路，會(huì)與其他回路有電氣連接，因此應(yīng)盡可能采用斷路器的獨(dú)立跳閘線圈，但這樣可能會(huì)引起斷路器本體的設(shè)計(jì)問(wèn)題。