基于合閘錄波提高交流濾波器斷路器合閘時(shí)間穩(wěn)定性措施及應(yīng)用

羅 曦，甘 戰(zhàn)，王小江，侯云川，楊 洋

（南方電網(wǎng)超高壓輸電公司曲靖局，云南 曲靖 655000）

0 引言

交流濾波器合閘涌流及過電壓對(duì)直流輸電系統(tǒng)的影響很大，而且斷路器合閘時(shí)間分散性大造成交流濾波器合閘涌流及系統(tǒng)過電壓是目前國(guó)內(nèi)直流輸電工程中存在的普遍問題[1-3]。選相控制效果與斷路器合閘時(shí)間的不穩(wěn)定性、預(yù)擊穿特性及其不穩(wěn)定性、選相合閘裝置的控制目標(biāo)設(shè)定策略息息相關(guān)[4]，減小交流濾波器合閘涌流及過電壓對(duì)設(shè)備及電網(wǎng)的影響，研究交流濾波器斷路器合閘分散性影響因素及改進(jìn)措施很有必要[5-7]。

文中旨在研究交流濾波器SF6斷路器合閘過程各個(gè)階段對(duì)選相合閘的影響，從而提出交流濾波器斷路器合閘穩(wěn)定性的改進(jìn)措施。

1 最佳合閘策略的整定原理

1.1 最佳關(guān)合相位理論計(jì)算

當(dāng)斷路器觸頭間隙較小時(shí)，SF6氣體的絕緣強(qiáng)度下降率RDDS近似為一條傾斜的直線，經(jīng)過電壓0點(diǎn)與電壓曲線相切的直線稱為臨界絕緣強(qiáng)度下降率（RDDS0）。RDDS與氣體壓強(qiáng)、觸頭運(yùn)動(dòng)速度、斷路器的結(jié)構(gòu)等多種因素有關(guān)[8-10]。

在不考慮斷路器合閘時(shí)間離散性、絕緣強(qiáng)度下降率離散性的情況下，斷路器絕緣下降率應(yīng)為圖1所示S曲線，其在圖1中t0時(shí)刻合閘不發(fā)生預(yù)擊穿，t0為電壓過零點(diǎn)也是目標(biāo)合閘時(shí)刻。此時(shí)，應(yīng)將合閘時(shí)間定值Tset設(shè)為固有合閘時(shí)間t0，理論上將實(shí)現(xiàn)沒有預(yù)擊穿的合閘。但由于斷路器機(jī)械動(dòng)作時(shí)間本身存在離散性，圖1中S1、S2代表偏離目標(biāo)時(shí)刻±△T時(shí)間的兩條絕緣下降率曲線，其余與斷口電壓的交點(diǎn)為對(duì)應(yīng)的斷路器關(guān)合時(shí)刻。

圖1 合閘偏差與預(yù)擊穿電壓示意圖

絕緣下降率RDDS與電壓波形的交點(diǎn)即為發(fā)生預(yù)擊穿時(shí)刻的電壓，此電壓值越大合閘涌流越大。

如果以電壓過零時(shí)刻為目標(biāo)合閘時(shí)刻，則在相同合閘時(shí)間偏差下，合閘時(shí)間提前與滯后所對(duì)應(yīng)的合閘時(shí)刻電壓值是不同的[11-13]。合閘時(shí)刻提前所對(duì)應(yīng)的電壓Up1遠(yuǎn)大于合閘時(shí)刻滯后所對(duì)應(yīng)的電壓Up2。

如果將目標(biāo)合閘時(shí)刻向電壓過零點(diǎn)滯后某一時(shí)間dt，則目標(biāo)合閘時(shí)刻為tm=t0+dt，則提前合閘偏差對(duì)應(yīng)的電壓Up1將減小，而合閘時(shí)刻滯后所對(duì)應(yīng)的電壓Up2增大，如圖2所示，通過選擇合適的時(shí)間dt則可使Up1=Up2，從而達(dá)到減小合閘涌流的目的[14-17]。

圖2 改變目標(biāo)合閘時(shí)刻對(duì)合閘對(duì)應(yīng)電壓的影響

以A相斷路器斷口1為例，計(jì)算其最佳合閘時(shí)刻。

不考慮電壓極性的影響，則A相斷路器斷口電壓為

設(shè)SF6氣體的絕緣下降率RDDS速率為kRDDS，目標(biāo)合閘時(shí)刻為tm，由操作機(jī)構(gòu)引起的隨機(jī)偏差為，電壓過零時(shí)刻為t0，由SF6氣體的絕緣下降率RDDS應(yīng)位于以下兩條直線之間[18-20]：

分別求解式（1）與式（2）及式（3）的交點(diǎn)，可得到SF6氣體預(yù)擊穿的電壓值Up1和Up2為

改變目標(biāo)合閘時(shí)刻tm的值，即改變dt值，滿足Up1=Up2的時(shí)刻tm，即為偏差△T時(shí)最佳合閘時(shí)刻。

需在目標(biāo)時(shí)刻tm合閘，但斷路器固有動(dòng)作時(shí)間t0不能改變，則應(yīng)縮短控制器的合閘時(shí)間定值使斷路器合閘于過零點(diǎn)之后，合閘時(shí)間定值應(yīng)設(shè)為Tset=tm-dt。

1.2 工程實(shí)際中遇到的問題

由上述理論可知，為得到理想中的合閘整定時(shí)間，需要在工程實(shí)際中知道開關(guān)動(dòng)作時(shí)間的離散區(qū)間δ和開關(guān)的絕緣下降率RDDS，才能求得dt，從而得出合閘時(shí)間定值Tset。

2 基于現(xiàn)場(chǎng)合閘錄波數(shù)據(jù)分析

2.1 合閘時(shí)間分散性影響因素

影響斷路器合閘時(shí)間穩(wěn)定性主要與選相合閘控制器、操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間、斷路器預(yù)擊穿性能（即斷路器滅弧室絕緣強(qiáng)度下降率）三部分有關(guān)[21-22]。

選相合閘控制器穩(wěn)定性主要與控制器硬件系統(tǒng)及系統(tǒng)參考電壓頻率有關(guān)，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，控制器的動(dòng)作時(shí)間偏差較小。

操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其動(dòng)作時(shí)間受直流控制電壓、操作液壓油壓力、斷路器動(dòng)作次數(shù)、斷路器合閘速度、環(huán)境溫度等多重影響。根據(jù)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)不同，各因素對(duì)其動(dòng)作時(shí)間的影響關(guān)系也不盡相同。在實(shí)際工程中該部分偏差特性，我們可以通過進(jìn)行多次開關(guān)動(dòng)作特性試驗(yàn)，得出其動(dòng)作時(shí)間偏差。

而斷路器的預(yù)擊穿性能（斷路器絕緣強(qiáng)度下降率）則受開關(guān)動(dòng)作速度、滅弧室SF6氣體壓力、動(dòng)靜觸頭平整度等因素的影響。在斷路器合閘過程中，當(dāng)SF6氣體的絕緣下降率RDDS小于某一臨界值時(shí)，即使斷路器的目標(biāo)合閘點(diǎn)設(shè)置在電壓過零點(diǎn)，也存在預(yù)擊穿現(xiàn)象，RDDS下降越多，預(yù)擊穿時(shí)間越長(zhǎng)，合閘角偏差越大，其關(guān)系如圖3所示。

圖3 絕緣強(qiáng)度下降率與外施電壓的關(guān)系

圖中K1代表分別斷路器的絕緣強(qiáng)度下降率，絕緣強(qiáng)度越高，其斜率越大。直線K1a、K1b為相同絕緣強(qiáng)度下降率K1在時(shí)間軸的水平移動(dòng)，其代表了由于開關(guān)動(dòng)作時(shí)間離散性的原因使得開關(guān)觸頭合閘時(shí)刻會(huì)與目標(biāo)時(shí)刻偏差，從而導(dǎo)致曲線K1左移或右移。當(dāng)絕緣強(qiáng)度下降率及開關(guān)動(dòng)作時(shí)間離散性確定后，斷路器的角度分布也能確定，即在t3-t4之間變動(dòng)。

在實(shí)際運(yùn)行過程中，我們只能通過錄波波形確切得知斷路器的預(yù)擊穿時(shí)間，斷路器絕緣下降率的確定由于在標(biāo)準(zhǔn)中未對(duì)其有明確要求，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家基本沒有對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，且針對(duì)國(guó)內(nèi)500 kV交流斷路器并無該類公開數(shù)據(jù)，故無法從廠家數(shù)據(jù)中得出相關(guān)斷路器絕緣強(qiáng)度下降率的數(shù)據(jù)。

為了更準(zhǔn)確的求得整定合閘時(shí)間定值Tset，我們需要確定開關(guān)的絕緣下降率。

2.2 基于合閘錄波的絕緣下降率分析

針對(duì)某換流站561號(hào)開關(guān)分別調(diào)取了四個(gè)時(shí)間段共29組合閘錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 561號(hào)斷路器合閘時(shí)間數(shù)據(jù)

由表1可知，在2019年05月26日的三次合閘波形中可以發(fā)現(xiàn)，561號(hào)斷路A、B、C三相可以在目標(biāo)角180°合閘，如此可以確定此時(shí)該斷路器絕緣強(qiáng)度下降率大于等于RDDS臨界值，即大于等于67 kV/ms。

根據(jù)GB/T 30846-2014《具有預(yù)定極間不同期操作高壓交流斷路器》中資料，高壓氣體斷路器觸頭燒蝕對(duì)RDDS的影響，燒蝕過的斷路器和新斷路器相比，其RDDS略有下降（約2%）。從2019年5月至2020年2月，該開關(guān)僅運(yùn)行不到一年，可以忽略。

按照?qǐng)D3所示，當(dāng)斷路器發(fā)生預(yù)擊穿時(shí)，斷路器合閘時(shí)間時(shí)間受預(yù)擊穿電壓Up和絕緣強(qiáng)度下降率影響kRDDS。

由圖3可知，合閘時(shí)間為

式中，dt=Up/kRDDS；預(yù)擊穿電壓Up=0.5Um|sinθ|。式（6）可寫成

以561號(hào)開關(guān)A相2020-03-06 08：45：55時(shí)刻數(shù)據(jù)為例，Up=72.5 kV，設(shè)該斷路器絕緣強(qiáng)度下降率等于RDDS臨界值，則kRDDS=kRDDS0=67 kV/ms，則此次實(shí)際合閘時(shí)間為76.47 ms，其中dt=Up/kRDDS0=1.08 ms。

由于以上算例中的kRDDS為假設(shè)值，通過現(xiàn)有數(shù)據(jù)只能確定斷路器的kRDDS大于RDDS臨界值kRDDS0。在不同kRDDS下，推算的斷路器合閘時(shí)間見表2。

為方便計(jì)算，此處引入關(guān)合系數(shù)k，令kRDDS=k·kRDDS0。

表2給出的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)取的561號(hào)斷路器以A相為例，5輪共29次合閘錄波進(jìn)行了分析，可得出如下結(jié)論，即

表2 不同關(guān)合系數(shù)k下561號(hào)斷路器A相的推算合閘時(shí)間

1）關(guān)合系數(shù)在0.9～1.6變化時(shí)，推算的平均合閘時(shí)間隨著關(guān)合系數(shù)的增大，合閘時(shí)間平均值和標(biāo)準(zhǔn)差有所減少，合閘時(shí)間平均值的變化范圍561 A相為0.6 ms左右，B相 和C相 為0.2 ms左右。從 中可以看出561 A相合閘時(shí)間的離散性較B、C相更大在每一輪的合閘錄波數(shù)據(jù)分析時(shí)，斷路器的關(guān)合時(shí)間、推算的合閘時(shí)間離散性不大。但若將29次合閘數(shù)據(jù)完全統(tǒng)計(jì)，可以發(fā)現(xiàn)，斷路器實(shí)際關(guān)合時(shí)間離散性較大。

2）在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過程中，在一定時(shí)間間隔內(nèi)及時(shí)調(diào)整斷路器動(dòng)作時(shí)間，將很大程度上能夠提高斷路器選相合閘效果；

3）在現(xiàn)場(chǎng)檢修過程中可以通過數(shù)次合閘時(shí)間測(cè)試，得到斷路器合閘時(shí)間的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差，通過統(tǒng)計(jì)附近時(shí)間段的斷路器合閘錄波數(shù)據(jù)，從而推算不同關(guān)合系數(shù)下的合閘時(shí)間平均值與標(biāo)準(zhǔn)差。當(dāng)某關(guān)合系數(shù)下的合閘時(shí)間平均值與標(biāo)準(zhǔn)差與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果吻合時(shí)，該關(guān)合系數(shù)對(duì)應(yīng)的絕緣下降率則為該斷路器實(shí)際絕緣下降率。

由于檢修預(yù)試規(guī)程中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)合閘特性試驗(yàn)沒有次數(shù)要求，現(xiàn)場(chǎng)檢修時(shí)一般只測(cè)一次額定電壓、額定操作油壓下的合閘時(shí)間，故無法得到現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況一致的多次數(shù)據(jù)。

561號(hào)斷路器合閘2019年5月26日時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。

表3 561號(hào)斷路器合閘時(shí)間數(shù)據(jù)ms

根據(jù)站內(nèi)開關(guān)型式試驗(yàn)數(shù)據(jù)，110%額定電壓下平均合閘時(shí)間比100%額定電壓平均合閘時(shí)間高出1 ms左右，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行操作電壓為105%額定電壓左右，以此推測(cè)561號(hào)斷路器A相合閘時(shí)間為74.8 ms，對(duì)應(yīng)表4.6中2019年5月26日關(guān)合系數(shù)k=1.5時(shí)平均合閘時(shí)間74.83 ms相對(duì)應(yīng)。

據(jù)此，可以假設(shè)561號(hào)斷路器的關(guān)合系數(shù)k=1.5，即該斷路器的絕緣下降率為kRDDS=k·kRDDS0=1.5×67=100.5 kV/ms。

3 整定時(shí)間應(yīng)用算例分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)算例計(jì)算

在第一節(jié)提供了最佳關(guān)合相位的整定原理，但該整定原則效果的好壞，很大程度上依靠斷路器絕緣下降率選取的準(zhǔn)確度。

根據(jù)第二節(jié)的現(xiàn)場(chǎng)合閘錄波數(shù)據(jù)，根據(jù)561號(hào)合閘時(shí)間的偏差，計(jì)算其最優(yōu)合閘時(shí)間，并提出了561號(hào)斷路器的合閘整定時(shí)間的修正值。

具體計(jì)算流程見圖4。

圖4 斷路器關(guān)合時(shí)間整定值計(jì)算流程圖

具體計(jì)算方法如下，即

1）統(tǒng)計(jì)實(shí)際測(cè)量的斷路器關(guān)合時(shí)間推算下的合閘時(shí)間，偏移合閘時(shí)間差。

表1中合閘整定定值A(chǔ)、B、C三相分別為74.5 ms、75.1 ms、74.7 ms。

2）以最大時(shí)間偏差作為斷路器合閘時(shí)間隨機(jī)偏移量。

根據(jù)表2中關(guān)合系數(shù) 下的合閘時(shí)間推算，在2020年3月1日-3月6日六次合閘錄波統(tǒng)計(jì)的平均合閘時(shí)間如表4所示。

表4 推算合閘時(shí)間（關(guān)合系數(shù)k=1.5）

由此可知，斷路器平均合閘時(shí)間T0A=76.15 ms、T0B=75.93 ms、T0C=75.53 ms。隨機(jī)偏差△TA=3δA=0.81 ms、△TB=3δB=0.96 ms、△TC=3δC=0.24 ms。

3）以上節(jié)所述的計(jì)算方法迭代求解式（5.11）和式（5.12），當(dāng)滿足Up1=Vp2條件下的dt對(duì)應(yīng)的目標(biāo)合閘時(shí)刻tm即為偏差△T時(shí)最佳合閘時(shí)刻。

輸入以下參數(shù)：關(guān)合系數(shù)；隨機(jī)偏差：△TA=0.81、△TB=0.96、△TC=0.24，系統(tǒng)電壓：Um=428.7 kV，系統(tǒng)周期：T=20 ms；平均合閘時(shí)間：T0A=76.15 ms、T0B=75.93 ms、T0C=75.53 ms。得到合閘時(shí)間的修正量為dtA=0.54 ms，dtB=0.63 ms，dtC=0.48 ms時(shí)，滿足Up1=Up2條件。

4）561號(hào)斷路器A、B、C三相的合閘時(shí)間定值應(yīng)設(shè)為TsetA=t0A-dtA=75.61 ms，TsetB=t0B-dtB=75.30 ms，TsetC=t0C-dtC=75.05 ms。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

將561號(hào)斷路器A、B、C相合閘定值按照3.1節(jié)改進(jìn)后的合閘時(shí)間定值進(jìn)行整定。對(duì)561號(hào)斷路器合閘時(shí)間改進(jìn)前后效果進(jìn)行分析，如表5所示。

從表5可知，在針對(duì)合閘時(shí)間定值改進(jìn)后，A、B、C三相的合閘涌流分別降低62%、33%和8%。561號(hào)斷路器A相合閘時(shí)間在原定值基礎(chǔ)上增加了1.1 ms，涌流抑制效果有明顯改善。561號(hào)斷路器改進(jìn)前后合閘效果圖見圖5、圖6。

表5 561號(hào)斷路器合閘時(shí)間改進(jìn)前后合閘錄波數(shù)據(jù)分析

圖5 561號(hào)斷路器改進(jìn)前合閘效果

圖6 561號(hào)斷路器改進(jìn)后合閘效果

通過對(duì)最佳合閘策略的研究，提出了現(xiàn)場(chǎng)斷路器選相合閘時(shí)間定值設(shè)置策略的切實(shí)可行的方法，并通過現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)合上述方法進(jìn)行算例分析，得到現(xiàn)場(chǎng)最佳合閘相位的合閘時(shí)間定值。通過現(xiàn)場(chǎng)工程的實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了該方法對(duì)抑制交流濾波器合閘涌流能有很好的效果。

4 結(jié)語

文中結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)斷路器合閘錄波數(shù)據(jù)，提出了斷路器最佳合閘時(shí)間整定方法，改進(jìn)了斷路器合閘時(shí)間的分散性和斷路器合閘角的控制，在降低斷路器合閘產(chǎn)生的涌流及過電壓方面取得了較好的效果。但在交流濾波器斷路器運(yùn)行過程中，外部環(huán)境溫度、操作電壓以及系統(tǒng)頻率都可能發(fā)生變化而引起實(shí)際合閘時(shí)間與整定時(shí)間偏差。因此。今后將從以下幾方面進(jìn)一步深入研究：

（1）在有條件的情況下，應(yīng)將環(huán)境溫度、操作電壓、操作油壓等信號(hào)接入選相合閘控制器，根據(jù)離線測(cè)量的曲線關(guān)系進(jìn)行合閘時(shí)間修正，并驗(yàn)證合閘效果進(jìn)行結(jié)果反饋。

（2）建立基于合閘錄波分析的合閘效果分析專家系統(tǒng)，通過后臺(tái)采集合閘錄波，軟件自動(dòng)分析合閘角度、合閘時(shí)間離散性、涌流、過電壓大小等參考量，自動(dòng)進(jìn)行多維度分析，并對(duì)合閘角控制效果差的斷路器進(jìn)行預(yù)警，提醒運(yùn)維人員該斷路器選相控制需要調(diào)整。