高壓斷路器選相合閘方法研究

翟永昌，高永強(qiáng)，余江

(1.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510663；2.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510663)

電力系統(tǒng)投切感性、容性電氣設(shè)備時(shí)，如果斷路器投切相位、時(shí)間、策略控制不當(dāng)，帶來(lái)暫態(tài)過(guò)電壓或過(guò)電流，會(huì)對(duì)電力設(shè)備和電力系統(tǒng)產(chǎn)生較大沖擊[1-2]。目前投切頻率相對(duì)較高的是高壓直流和柔性直流工程中換流變壓器(簡(jiǎn)稱“換流變”)、交流濾波器組，換流變空載合閘時(shí)會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，含有大量的非周期分量和高次諧波分量，易產(chǎn)生和應(yīng)涌流，導(dǎo)致?lián)Q相失敗、相關(guān)保護(hù)誤動(dòng)等情況出現(xiàn)[3-4]；交流濾波器投切時(shí)，也會(huì)引起暫態(tài)過(guò)電壓和電流，導(dǎo)致?lián)Q相失敗、投切不成功、相關(guān)保護(hù)誤動(dòng)等情況發(fā)生[5-9]。因此，換流變、交流濾波器的斷路器均配置了選相合閘裝置，利用技術(shù)手段使斷路器動(dòng)、靜觸頭在系統(tǒng)電壓波形的指定相角處合閘，以降低合閘時(shí)的勵(lì)磁涌流、暫態(tài)過(guò)電流及暫態(tài)過(guò)電壓。

總的來(lái)說(shuō)，斷路器投切時(shí)可能產(chǎn)生暫態(tài)過(guò)電壓、過(guò)電流的電力設(shè)備包括空載變壓器、電容器組、并聯(lián)電抗器、交流濾波器和空載線路等。按合閘后果情況可分為易產(chǎn)生暫態(tài)過(guò)電壓(如電容器、電抗器、濾波器、空載線路等)和易產(chǎn)生暫態(tài)過(guò)電流(如變壓器等)2類[10-13]；按三相電磁耦合情況可分為有電磁耦合類(如變壓器等)、無(wú)電磁耦合類(如濾波器、電容器等)2類。

目前斷路器選相合閘方法的研究主要集中在單相最佳合閘方法和時(shí)間、斷路器觸頭動(dòng)作特性和絕緣特性的影響等方面，缺少對(duì)三相合閘策略的研究。例如文獻(xiàn)[2]主要分析了交流濾波器開(kāi)關(guān)單相合閘方法、時(shí)間；文獻(xiàn)[3]主要研究了換流變開(kāi)關(guān)防止勵(lì)磁涌流的單相合閘方法、合閘時(shí)間；文獻(xiàn)[4]主要論述了計(jì)及剩磁影響的空載變壓器單相合閘方法；文獻(xiàn)[5]主要剖析了電容器組單相分合閘方法和時(shí)間、斷路器觸頭動(dòng)作特性和絕緣特性等影響。此處關(guān)于單相最佳合閘角計(jì)算，根據(jù)電磁感應(yīng)定律和麥克斯韋方程組可知，為避免暫態(tài)過(guò)電流和暫態(tài)過(guò)電壓分別采用電壓峰值角和電壓過(guò)零點(diǎn)角[10-13]。

由于高壓交流電網(wǎng)中三相電壓和電流相位分別相差120°，當(dāng)A相達(dá)到最佳合閘角時(shí)，B、C兩相尚未達(dá)到最佳合閘角。如果三相均在A相最佳合閘角時(shí)同步合閘則B、C相合閘效果不佳，易造成暫態(tài)過(guò)電壓或電流。如果A、B、C三相均在本相最佳合閘角時(shí)分相合閘，當(dāng)三相無(wú)電磁耦合時(shí)合閘效果較好；當(dāng)三相有電磁耦合時(shí)，電壓峰值角、過(guò)零點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)畸變，如仍在原最佳合閘角合閘，易產(chǎn)生暫態(tài)過(guò)電壓或過(guò)電流，導(dǎo)致分相合閘效果不佳甚至失敗。

目前對(duì)斷路器三相合閘策略開(kāi)展系統(tǒng)性研究較少，缺少計(jì)及三相電磁耦合影響的選相合閘方法研究，工程現(xiàn)場(chǎng)主要采取分別單相合閘或盲目套用某一接線方式的三相合閘策略。從實(shí)際運(yùn)行情況看，由于三相合閘時(shí)選相合閘控制策略不合理、功能設(shè)計(jì)不完善、參數(shù)設(shè)置不匹配等原因，高壓直流和柔性直流工程多次出現(xiàn)換流變選相合閘效果不佳、相鄰元件保護(hù)誤動(dòng)等情況。

本文對(duì)計(jì)及電磁耦合影響的選相合閘策略進(jìn)行研究分析，提出不同接線方式下的三相合閘策略，并通過(guò)EMTDC仿真和工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。

1 斷路器選相合閘計(jì)算模型

計(jì)及電磁耦合影響三相合閘時(shí)，需要視電磁耦合情況確定具體選相合閘相位、時(shí)間。由于變壓器是最為典型的電磁耦合設(shè)備，下面以換流變?yōu)槔治鰩追N常見(jiàn)接線方式下的斷路器選相合閘策略。

1.1 YnD11接線方式非全相運(yùn)行計(jì)算模型

YnD11接線方式的換流變?nèi)鄶嗦菲鞣窒嗪祥l是逐相合閘的，可視為非全相運(yùn)行過(guò)程，先合相必然對(duì)后合相產(chǎn)生電磁感應(yīng)影響。逐相合閘過(guò)程包括合一相、合二相、合三相等，每相合閘后均會(huì)對(duì)其余相產(chǎn)生磁鏈，影響其幅值和相位。為研究逐相合閘過(guò)程中電磁耦合影響，需要建立一相合閘、二相合閘的計(jì)算模型(三相合閘后各相電壓與電源同幅值、同相位，不需要建模)，實(shí)現(xiàn)對(duì)待合相電壓幅值、相位與已合相的關(guān)系的分析，并研究已合相對(duì)待合相電磁耦合影響，確定對(duì)待合相采取何種合閘策略才能使電磁耦合影響最小，即第一相在最佳合閘角合閘后，確定第二相、第三相的合閘策略。

(1)

式中U為相電源幅值。

1.1.1 YnD11接線一相合閘、二相分閘方式

圖1 一相合閘時(shí)YnD11接線等效電路Fig.1 YnD11 wiring equivalent circuit during single phase closing

根據(jù)圖1等效電路可得：

(2)

所以有：

(3)

因此各側(cè)相電壓為：

(4)

可見(jiàn)A相以最佳合閘角(電壓峰值角)合閘后，B、C待合相電壓幅值分別是A相幅值的一半，方向相反,此時(shí)A、B、C相在互相去磁。A相合閘后1/4周期時(shí)為電壓過(guò)零點(diǎn)，此時(shí)產(chǎn)生的磁通量最少，對(duì)B、C相影響最小。

1.1.2 YnD11接線二相合閘、一相分閘方式

假設(shè)B、C相合閘，A相分閘，此時(shí)等效電路如圖2所示。

圖2 二相合閘時(shí)YnD11接線等效電路Fig.2 YnD11 wiring equivalent circuit during two phase closing

根據(jù)圖2等效電路可得：

(5)

所以有：

(6)

因此各側(cè)相電壓為：

(7)

可見(jiàn)B、C相合閘時(shí)，待合相A相電壓與電源側(cè)電壓同幅值、同相位，此時(shí)A相不能去磁，電磁耦合效應(yīng)隨著時(shí)間而增加；因此要避免這種情況出現(xiàn)，即避免前兩相先合、一相后合，應(yīng)一相先合、后兩相同時(shí)合閘或三相同時(shí)合閘。

要順利完成三相合閘，應(yīng)先在首合相最佳角(電壓峰值角，下同)進(jìn)行合閘，其余兩相進(jìn)行去磁，然后在首合相合閘1/4周期時(shí)后兩相同時(shí)合閘。

1.2 YD11接線方式非全相運(yùn)行計(jì)算模型

1.2.1 YD11接線一相合閘、二相分閘方式

假設(shè)A相合閘，此時(shí)等效電路如圖3所示。

圖3 一相合閘時(shí)YD11接線等效電路Fig.3 YD11 wiring equivalent circuit during single phase closing

由于一次側(cè)沒(méi)有形成通路，因此各相電壓均為0，合閘相對(duì)分閘相電磁耦合影響可忽略。

1.2.2 YD11接線二相合閘、一相分閘方式

假設(shè)B、C相合閘、A相分閘，此時(shí)等效電路如圖4所示。

根據(jù)圖4可得：

(8)

圖4 二相合閘時(shí)YD11接線等效電路Fig.4 YD11 wiring equivalent circuit during two phase closing

所以有：

(9)

綜合第1.2節(jié)可知：YD11接線方式下，無(wú)論是一相合閘還是二相合閘，合閘相對(duì)分閘相電壓、磁通均沒(méi)有影響；因此在這種接線方式下，三相合閘策略應(yīng)該是先計(jì)算各相的最佳合閘角(電壓峰值角)，然后分別在最佳合閘角合閘。

1.3 YnY接線方式缺相運(yùn)行計(jì)算模型

如果變壓器二次側(cè)是星形接線，則三相磁通是相互獨(dú)立的，三相電壓不會(huì)互相影響，電磁耦合影響可忽略；因此三相合閘策略是先計(jì)算各相的最佳合閘角(電壓峰值角)，然后分別在最佳合閘角合閘。

2 選相合閘策略及應(yīng)用

2.1 高壓斷路器三相合閘策略

通過(guò)前述分析計(jì)算，提出計(jì)及電磁耦合影響的三相合閘策略確定步驟如下：

a)確定受控電氣設(shè)備類型，包括：①合閘后果類型，即易產(chǎn)生暫態(tài)過(guò)電流或者暫態(tài)過(guò)電壓；②三相電磁耦合類型，即有電磁耦合類、無(wú)電磁耦合類。

b)確定單相最佳合閘角,包括：①易產(chǎn)生暫態(tài)過(guò)電流者采用電壓峰值角;②易產(chǎn)生暫態(tài)過(guò)電壓者采用電壓過(guò)零角。

c)確定三相合閘配合策略,包括：①對(duì)于無(wú)電磁耦合類受控電氣設(shè)備，三相合閘配合策略為分別在各相最佳合閘角合閘;②對(duì)于有電磁耦合類受控電氣設(shè)備，視接線方式采用不同的三相合閘配合策略;③YnD類先在首合相最佳合閘角進(jìn)行合閘，其余兩相進(jìn)行去磁，然后在首合相合閘1/4周期時(shí)后兩相同時(shí)合閘；④YD類先計(jì)算各相的最佳合閘角，然后分相在最佳合閘角合閘；⑤YnY類先計(jì)算各相的最佳合閘角，然后分相在最佳合閘角合閘。

2.2 實(shí)際選相合閘功能時(shí)序分析

工程實(shí)際中選相合閘裝置[11-12]的功能時(shí)序如圖5所示，裝置可實(shí)時(shí)采集電源側(cè)母線三相電壓，接收其他控制保護(hù)裝置的三相合閘指令，在接收到合閘指令后，判斷電壓過(guò)零點(diǎn)或峰值點(diǎn)，然后進(jìn)入等待時(shí)間；此時(shí)計(jì)算各相最佳合閘角，等待時(shí)間結(jié)束后發(fā)出合閘命令，使斷路器觸頭在指定的電壓過(guò)零點(diǎn)或峰值點(diǎn)處合閘。

圖5 選相合閘功能時(shí)序圖Fig.5 Sequence diagram of selecting phase and controlled switching

由于斷路器機(jī)構(gòu)離散性[13-16]和動(dòng)靜觸頭的絕緣預(yù)擊穿特性[17-23]，實(shí)際選相合閘定值整定時(shí)應(yīng)將目標(biāo)合閘點(diǎn)設(shè)置在系統(tǒng)電壓過(guò)零點(diǎn)或峰值點(diǎn)后某個(gè)相位，因此實(shí)際合閘角度通常大于目標(biāo)合閘角(定值)。

3 選相合閘策略仿真

按照某500 kV高壓直流輸電工程參數(shù)建立了EMTDC仿真模型，對(duì)換流變斷路器選相合閘策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真系統(tǒng)的參數(shù)如下：額定功率為3 000 MW；換流器為12脈動(dòng)；直流電壓為500 kV；直流線路長(zhǎng)為1 220 km；直流濾波器為2組/站；交流濾波器為14組/站；交流母線電壓為525 kV；換流變?yōu)橛休d調(diào)壓、25檔，每檔調(diào)1.25%，每站每極3臺(tái)YnD11、3臺(tái)YnY；雙極潮流控制方式為自動(dòng)定功率；功率方向?yàn)檎髡局聊孀冋?；無(wú)功控制方式為定無(wú)功；換流變分接頭控制為定角度。

對(duì)直流極從備用至閉鎖狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程進(jìn)行了仿真，仿真共持續(xù)500 ms，第60 ms時(shí)開(kāi)始選相合閘。在換流變常見(jiàn)接線方式(YnD11、YnY)下，整流站充電勵(lì)磁電流波形如圖6、7所示，逆變站充電勵(lì)磁電流波形如圖8、9所示。圖6—9中：策略1為按照本文提出的合閘策略確定合閘方法；策略2為分相在最佳角合閘；策略3為同時(shí)在A相最佳角合閘；IaF_策略1為按策略1合閘時(shí)A相電流波形；IbF_策略1為按策略1合閘時(shí)B相電流波形；IcF_策略1為按策略1合閘時(shí)C相電流波形；其他標(biāo)示含義依此類推。

圖6 整流站YnD11接線方式仿真波形Fig.6 Simulation waveform of YnD11 wiring mode in rectifier station

圖7 整流站YnY接線方式仿真波形Fig.7 Simulation waveform of YnY wiring mode in rectifier station

圖8 逆變站YnD11接線方式仿真波形Fig.8 Simulation waveform of YnD11 wiring mode in inverter station

圖9 逆變站YnY接線方式仿真波形Fig.9 Simulation waveform of YnY wiring mode in inverter station

從圖6—9所示的充電勵(lì)磁電流波形可見(jiàn)：策略1對(duì)2種接線均有效，合閘后三相正弦電流波形較為平滑、對(duì)稱，無(wú)明顯涌流；策略2對(duì)YnD11接線無(wú)效(波形畸變、涌流明顯)；策略3對(duì)2種接線均無(wú)效(波形畸變、涌流明顯)。故本文提出的三相合閘策略適用換流變不同接線方式，可以抑制勵(lì)磁涌流，提升選相合閘有效性。

4 選相合閘策略實(shí)例分析

某特高壓換流站的某換流單元換流變?yōu)閅nY接線，該換流單元由備用狀態(tài)轉(zhuǎn)閉鎖狀態(tài)時(shí)合上換流變交流斷路器，由于勵(lì)磁涌流過(guò)大，全部B型交流濾波器的電阻過(guò)熱導(dǎo)致負(fù)荷三段保護(hù)動(dòng)作跳閘，無(wú)B型交流濾波器可用及直流極閉鎖。

查閱換流變交流斷路器動(dòng)作時(shí)間特性測(cè)試結(jié)果可知，斷路器本身未發(fā)現(xiàn)較大的離散性，換流變交流斷路器對(duì)應(yīng)的選相合閘裝置數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 事故當(dāng)天合閘角度及勵(lì)磁涌流Tab.1 Closing angles and inrush current on the day of the accident

分析表1可知:此次合閘時(shí)采用三相合閘策略是先在首合相最佳角合閘、其余兩相經(jīng)1/4周期后再合閘，三相合閘角度分別為90°、180°、180°?？梢?jiàn)未根據(jù)YnY接線方式選擇對(duì)應(yīng)的三相合閘策略導(dǎo)致勵(lì)磁涌流的出現(xiàn)(峰值1.727 kA)，最終選相合閘失敗。

事后根據(jù)本文提出的YnY接線方式三相合閘策略重新設(shè)置，即分別在各相最佳角合閘，三相合閘角度分別為90°、-30°、-150°，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，合閘時(shí)刻勵(lì)磁涌流峰值僅0.07 kA，可見(jiàn)改進(jìn)策略后選相合閘效果良好。

表2 調(diào)整后合閘角度及勵(lì)磁涌流Tab.2 Closing angles and inrush current after adjustment

5 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)有高壓斷路器三相合閘配合策略缺少系統(tǒng)研究，主要采用分相單相合閘策略，這一策略對(duì)于電力系統(tǒng)廣泛存在的電磁耦合類受控高壓電氣設(shè)備不適用。本文提出了確定三相合閘策略的完整方案和步驟，和計(jì)及受控電氣設(shè)備電磁耦合影響的選相合閘策略。根據(jù)接線方式采用不同的三相合閘配合策略，YnD類先在首合相最佳合閘角合閘，經(jīng)1/4周期后再合后兩相；YD、YnY類分別在各相最佳合閘角合閘。通過(guò)仿真和工程實(shí)例驗(yàn)證了所提合閘策略的正確性。