基于無量綱化處理的直接試驗(yàn)回路兩參數(shù)TRV計算方法研究

冷雪敏,許傲然,谷彩連,劉寶良,李志新

(1.沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院,遼寧 沈陽 110000;2.國網(wǎng)盤錦供電公司,遼寧 盤錦 124000)

配電網(wǎng)在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著電能分配的作用,是由輸電線路(架空線路、電纜)、桿塔、電力變壓器、斷路器、隔離刀、無功補(bǔ)償裝置等設(shè)備組成,斷路器在電能分配過程中起著負(fù)載投切和路換切換的作用,且在配電網(wǎng)中發(fā)生短路故障的情況下快速切除故障保證其余網(wǎng)絡(luò)正常供電[1-4]。我國高、中壓配電網(wǎng)主要以10 kV和35 kV為主,對應(yīng)的斷路器額定電壓分別為12 kV和40.5 kV,額定電壓10 kV的配電網(wǎng)基本為電纜系統(tǒng),額定電壓35 kV的配電網(wǎng)大部分為電纜系統(tǒng),僅有少量的線路系統(tǒng)。國家標(biāo)準(zhǔn)《GB 1984-2014高壓交流斷路器》將用于該電壓等級的斷路器劃分為S1級和S2級兩類,S1級用于電纜系統(tǒng),S2級用于線路系統(tǒng)[5,6]。

斷路器過零開斷短路故障電流瞬間,端口間將承受系統(tǒng)振蕩產(chǎn)生的瞬態(tài)恢復(fù)電壓(Transient recovery voltage,TRV),以及隨后的工頻恢復(fù)電壓(Power-frequency recovery voltage,PFRV),斷路器開斷短路故障的能力需要按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格考核,表征試驗(yàn)過程的核心參數(shù)為短路試驗(yàn)電流和TRV參數(shù)[1,7-12]?！禛B 1984-2014高壓交流斷路器》規(guī)定了額定電壓等級12 kV和40.5 kV斷路器的TRV波形為兩參數(shù)特征,由于電纜系統(tǒng)的對地電容和阻尼比線路系統(tǒng)的大,S2級斷路器的TRV參數(shù)較S1級斷路器嚴(yán)苛[5,6]。

在進(jìn)行斷路器的短路開斷試驗(yàn)時,根據(jù)試驗(yàn)電壓和試驗(yàn)電流是否來自同一電源劃分為直接法和合成法[1,13-17],額定電壓12 kV和40.5 kV的斷路器短路開斷容量相對比較低,通常大容量試驗(yàn)站配備的沖擊短路發(fā)電機(jī)或220 kV電網(wǎng)專線即可滿足試驗(yàn)容量的需求,大多數(shù)試驗(yàn)回路為直接法[15]。國內(nèi)的大容量試驗(yàn)站在合成試驗(yàn)回路的預(yù)期TRV參數(shù)計算中采用無量綱法獲得的曲線族查表[18-20];在直接法試驗(yàn)回路的預(yù)期TRV參數(shù)計算多采用軟件仿真計算和經(jīng)驗(yàn)法相結(jié)合,需要經(jīng)過多次計算和調(diào)試才能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,效率和準(zhǔn)確度都比較低。基于此,本文研究和開發(fā)基于無量綱化處理的直接試驗(yàn)回路兩參數(shù)TRV計算方法,可極大提升計算效率和縮短了回路調(diào)試時間。

1 短路故障開斷試驗(yàn)回路及TRV標(biāo)準(zhǔn)值參數(shù)

1.1 直接法試驗(yàn)回路

《GB 1984-2014高壓交流斷路器》第6.103.3節(jié)中規(guī)定了優(yōu)選的試驗(yàn)回路中性點(diǎn)應(yīng)絕緣(經(jīng)高阻抗接地),被試品的出線端的短路點(diǎn)應(yīng)接地,首開極系數(shù)滿足1.5的要求,直接法短路開斷試驗(yàn)回路見圖1所示。

圖1中,G為沖擊發(fā)電機(jī)或網(wǎng)絡(luò)電源,MS為合閘斷路器,MB為操作斷路器,L為調(diào)節(jié)電抗器,TM為短路試驗(yàn)變壓器(可根據(jù)試驗(yàn)電壓投入或退出),RS、CS為TRV調(diào)頻裝置主支路,Cp為TRV調(diào)頻裝置時延支路,SP為被試斷路器。在斷路器短路開斷試驗(yàn)時,由試驗(yàn)電源G或試驗(yàn)變壓器TM的二次側(cè)輸出試驗(yàn)所需的電壓,調(diào)節(jié)電抗器L滿足試驗(yàn)所需的短路電流,被試斷路器SP電流過零開斷瞬間,試驗(yàn)電源G或試驗(yàn)變壓器TM的二次側(cè)向調(diào)頻裝置的主支路RS、CS和時延支路Cp充電,電磁振蕩產(chǎn)生所需的TRV波形。

1.2 TRV標(biāo)準(zhǔn)值參數(shù)

《GB 1984-2014高壓交流斷路器》第6.104.5節(jié)中規(guī)定了斷路器短路開斷試驗(yàn)中應(yīng)滿足的TRV標(biāo)準(zhǔn)值參數(shù),即：峰值uc、參考時間t3、時延td,這三個參數(shù)是由TRV波形上的三條切線和坐標(biāo)軸一起定義的,具體見圖2所示。

圖2 規(guī)定兩參數(shù)TRV波形及參考線

表1 S1級和S2級斷路器TRV標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)

表1中,試驗(yàn)方式T60、T30、T10的t3基準(zhǔn)值為試驗(yàn)方式T100對應(yīng)t3的實(shí)際值,td的基準(zhǔn)值為該試驗(yàn)方式對應(yīng)t3的實(shí)際值。

2 基于無量綱化處理的TRV參數(shù)計算方法

2.1 首開極單相等效計算電路

圖3 用于首開極TRV參數(shù)計算的等效計算電路

在圖3中,uS為等效的單相電源電壓,為考慮首開極系數(shù)后1.5倍的相電壓,L為每相試驗(yàn)回路的電感,utr為待求解的TRV波形。由二階電路的零狀態(tài)響應(yīng),可以建立utr的二階電路方程為

(1)

(2)

(3)

2.2 有量綱到無量綱的正運(yùn)算處理

在TRV參數(shù)計算過程中,試驗(yàn)電壓Ur、試驗(yàn)電流I、回路電感L、TRV標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)均為已知參量。由式(3)給出的utr解析表達(dá)式求解TRV波形數(shù)據(jù)時的變量為δ和ω0,而δ和ω0是由L、RS、CS決定的,L、RS、CS的單位分別為H、Ω和μF,對于單次或者少量的計算可以直接帶入有量綱參數(shù)進(jìn)行計算?？紤]到TRV參數(shù)不易調(diào)節(jié),且計算次數(shù)較多,以及便于后期通過查曲線直接手動計算TRV波形數(shù)據(jù),可以將有量綱參量δ和ω0進(jìn)行無量綱化處理,從而提高計算效率和繪制曲線簇,定義無量綱化處理中間變量為

(4)

則,式(3)經(jīng)過無量綱化處理后,可得出

(5)

通過無量綱化處理使得TRV參數(shù)計算過程得以簡化,應(yīng)用式(5)可以得出dS從0.2至1.2改變時,utr.pu的波形變化見圖4所示。

圖4 振幅系數(shù)kaf與無量綱變量dS的關(guān)系

圖4中,utr.pu波形的幅值即為振幅系數(shù)kaf,隨著dS的增大,振幅系數(shù)kaf呈減小的趨勢。表1中S1級和S2級斷路器TRV標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的振幅系數(shù)kaf變化范圍為1.4～1.8,查圖可以得出對應(yīng)的dS范圍為0.075～0.36。

2.3 無量綱到有量綱的反運(yùn)算處理

在應(yīng)用無量綱化方法進(jìn)行TRV參數(shù)計算時,由預(yù)期的TRV振幅系數(shù)kaf,在圖4中查出對應(yīng)的dS值。進(jìn)一步,由已知的試驗(yàn)回路電感L、TRV參數(shù)t3、無量綱變量dS,從無量綱變量dS到有量綱變量RS、CS的計算過程為

(6)

由上述分析與計算過程可見,通過圖4和式(6)可以快速地計算得到TRV調(diào)頻裝置的主支路RS、CS,且根據(jù)經(jīng)驗(yàn)TRV調(diào)頻裝置的時延支路取Cp=0.5CS。鑒于國家標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)中定義的TRV參數(shù)t3和TRV波形的振蕩頻率是非線性關(guān)系,因此上述的計算需要在初次計算的基礎(chǔ)上微調(diào)幾次才能獲得最終的結(jié)果。

3 應(yīng)用與試驗(yàn)

以額定電壓12 kV,額定短路開斷電流31.5 kA的S1級斷路器短路開斷試驗(yàn)方式T100s為例,由大容量實(shí)驗(yàn)室的沖擊發(fā)電機(jī)系統(tǒng)直接試驗(yàn)回路如圖5所示。圖5中,G為某型號短路容量為2100MVA的沖擊發(fā)電機(jī),Rn為發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的高接地電阻,MS為合閘斷路器,MB為操作斷路器,L為調(diào)節(jié)電抗器,RS、CS為TRV調(diào)頻裝置主支路,Cp為TRV調(diào)頻裝置時延支路,SP為被試斷路器。標(biāo)準(zhǔn)要求的預(yù)期TRV的振幅系數(shù)kaf為1.4,考慮到?jīng)_擊短路發(fā)電機(jī)的工頻恢復(fù)電壓效率為85%,振幅系數(shù)kaf需要提高到1.65來補(bǔ)償由于發(fā)電機(jī)衰減的影響。Ia、Ib、Ic為羅氏線圈電流測量元件,Va、Vb、Vc為阻容分壓器電壓測量元件。

圖5 12 kV/31.5 kA短路開斷試驗(yàn)回路

應(yīng)用本文中的無量綱TRV參數(shù)計算方法,查圖4,dS取0.15,試驗(yàn)回路電感L為0.7×10-3H,TRV參數(shù)t3為61 μs,應(yīng)用式(6)計算得出RS為5.0 Ω、CS為0.9 μF,Cp取0.45 μF。特別地,CS和Cp的計算值中包括了試驗(yàn)回路的雜散電容,實(shí)際投入?yún)?shù)的時候需要考慮雜散電容的影響,經(jīng)過調(diào)試,RS實(shí)際投入5.0 Ω,CS實(shí)際投入0.6 μF,Cp實(shí)際投入0.3 μF。發(fā)電機(jī)勵磁整定電壓為12.6 kV,強(qiáng)制勵磁在短路電流開始前40 ms投入,預(yù)期開斷時刻前10 ms退出,強(qiáng)勵倍數(shù)設(shè)置為8倍。

如圖5所示,試驗(yàn)回路初始狀態(tài)為試品和操作斷路器處于合閘位置,合閘開關(guān)處于分閘位置。發(fā)電機(jī)勵磁就緒,到達(dá)設(shè)定電壓值后發(fā)出試驗(yàn)指令,合閘開關(guān)關(guān)合試驗(yàn)回路,短路電流流過試品,經(jīng)過一定的金短時間后試品分閘,并承受開斷后的TRV,經(jīng)過300 ms后操作開關(guān)分閘,試驗(yàn)結(jié)束。由羅氏線圈測得A、B、C三相的試驗(yàn)電流分別為32.32 kA、34 kA、32.3 kA,由阻容分壓器測得被試斷路器的斷口電壓Uab、Ubc、Uca的工頻恢復(fù)電壓波形見圖6(a)所示,瞬態(tài)恢復(fù)電壓TRV的波形見圖6(b)所示。

圖6 短路開斷試驗(yàn)TRV波形數(shù)據(jù)

從圖6(b)可以看出,C相為首開相,在Ubc或Uca的起始瞬態(tài)部分讀取TRV參數(shù),峰值uc為21.2 kV、參考時間t3為60.9 μs、時延td為7.0 μs,TRV參數(shù)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 結(jié)論

本文通過研究基于無量綱化處理的直接試驗(yàn)回路兩參數(shù)TRV計算方法研究,得出以下結(jié)論。

(1)通過將TRV變量utr的解析表達(dá)式中兩個有量綱變量δ和ω0經(jīng)過無量綱化處理,使得utr表達(dá)式中僅有一個無量綱變量dS。當(dāng)dS從0.2至1.2增大時,utr.pu的標(biāo)幺值從1.8至1.1減小,且上升率呈逐漸增大的趨勢。

(2)由預(yù)期的TRV振幅系數(shù)kaf,在圖中查出對應(yīng)的dS值。由已知的試驗(yàn)回路電感L、TRV參數(shù)t3、無量綱變量dS,可以通過逆運(yùn)算計算得出有量綱變量RS、CS,且根據(jù)經(jīng)驗(yàn)TRV調(diào)頻裝置的時延支路取Cp=0.5CS。

(3)以額定電壓12 kV,額定短路開斷電流31.5 kA的S1級斷路器短路開斷試驗(yàn)方式T100s為例,驗(yàn)證了計算方法的實(shí)用性和有效性,該方法極大的提升了計算效率和縮短了回路調(diào)試時間。