基于無量綱化處理的直接試驗回路兩參數TRV計算方法研究

冷雪敏,許傲然,谷彩連,劉寶良,李志新

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

配電網在電力系統中發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、無功補償裝置等設備組成,斷路器在電能分配過程中起著負載投切和路換切換的作用,且在配電網中發生短路故障的情況下快速切除故障保證其余網絡正常供電[1-4]。我國高、中壓配電網主要以10 kV和35 kV為主,對應的斷路器額定電壓分別為12 kV和40.5 kV,額定電壓10 kV的配電網基本為電纜系統,額定電壓35 kV的配電網大部分為電纜系統,僅有少量的線路系統。國家標準《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,S2級用于線路系統[5,6]。

斷路器過零開斷短路故障電流瞬間,端口間將承受系統振蕩產生的瞬態恢復電壓(Transient recovery voltage,TRV),以及隨后的工頻恢復電壓(Power-frequency recovery voltage,PFRV),斷路器開斷短路故障的能力需要按照國家標準規定的試驗參數進行嚴格考核,表征試驗過程的核心參數為短路試驗電流和TRV參數[1,7-12]?！禛B 1984-2014高壓交流斷路器》規定了額定電壓等級12 kV和40.5 kV斷路器的TRV波形為兩參數特征,由于電纜系統的對地電容和阻尼比線路系統的大,S2級斷路器的TRV參數較S1級斷路器嚴苛[5,6]。

在進行斷路器的短路開斷試驗時,根據試驗電壓和試驗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,通常大容量試驗站配備的沖擊短路發電機或220 kV電網專線即可滿足試驗容量的需求,大多數試驗回路為直接法[15]。國內的大容量試驗站在合成試驗回路的預期TRV參數計算中采用無量綱法獲得的曲線族查表[18-20];在直接法試驗回路的預期TRV參數計算多采用軟件仿真計算和經驗法相結合,需要經過多次計算和調試才能滿足標準要求,效率和準確度都比較低?；诖?本文研究和開發基于無量綱化處理的直接試驗回路兩參數TRV計算方法,可極大提升計算效率和縮短了回路調試時間。

1 短路故障開斷試驗回路及TRV標準值參數

1.1 直接法試驗回路

《GB 1984-2014高壓交流斷路器》第6.103.3節中規定了優選的試驗回路中性點應絕緣(經高阻抗接地),被試品的出線端的短路點應接地,首開極系數滿足1.5的要求,直接法短路開斷試驗回路見圖1所示。

圖1中,G為沖擊發電機或網絡電源,MS為合閘斷路器,MB為操作斷路器,L為調節電抗器,TM為短路試驗變壓器(可根據試驗電壓投入或退出),RS、CS為TRV調頻裝置主支路,Cp為TRV調頻裝置時延支路,SP為被試斷路器。在斷路器短路開斷試驗時,由試驗電源G或試驗變壓器TM的二次側輸出試驗所需的電壓,調節電抗器L滿足試驗所需的短路電流,被試斷路器SP電流過零開斷瞬間,試驗電源G或試驗變壓器TM的二次側向調頻裝置的主支路RS、CS和時延支路Cp充電,電磁振蕩產生所需的TRV波形。

1.2 TRV標準值參數

《GB 1984-2014高壓交流斷路器》第6.104.5節中規定了斷路器短路開斷試驗中應滿足的TRV標準值參數,即：峰值uc、參考時間t3、時延td,這三個參數是由TRV波形上的三條切線和坐標軸一起定義的,具體見圖2所示。

圖2 規定兩參數TRV波形及參考線

表1 S1級和S2級斷路器TRV標準參數

表1中,試驗方式T60、T30、T10的t3基準值為試驗方式T100對應t3的實際值,td的基準值為該試驗方式對應t3的實際值。

2 基于無量綱化處理的TRV參數計算方法

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,為考慮首開極系數后1.5倍的相電壓,L為每相試驗回路的電感,utr為待求解的TRV波形。由二階電路的零狀態響應,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算處理

在TRV參數計算過程中,試驗電壓Ur、試驗電流I、回路電感L、TRV標準參數均為已知參量。由式(3)給出的utr解析表達式求解TRV波形數據時的變量為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進行計算?？紤]到TRV參數不易調節,且計算次數較多,以及便于后期通過查曲線直接手動計算TRV波形數據,可以將有量綱參量δ和ω0進行無量綱化處理,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參數計算過程得以簡化,應用式(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kaf與無量綱變量dS的關系

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

2.3 無量綱到有量綱的反運算處理

在應用無量綱化方法進行TRV參數計算時,由預期的TRV振幅系數kaf,在圖4中查出對應的dS值。進一步,由已知的試驗回路電感L、TRV參數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調頻裝置的主支路RS、CS,且根據經驗TRV調頻裝置的時延支路取Cp=0.5CS。鑒于國家標準和IEC標準中定義的TRV參數t3和TRV波形的振蕩頻率是非線性關系,因此上述的計算需要在初次計算的基礎上微調幾次才能獲得最終的結果。

3 應用與試驗

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方式T100s為例,由大容量實驗室的沖擊發電機系統直接試驗回路如圖5所示。圖5中,G為某型號短路容量為2100MVA的沖擊發電機,Rn為發電機中性點的高接地電阻,MS為合閘斷路器,MB為操作斷路器,L為調節電抗器,RS、CS為TRV調頻裝置主支路,Cp為TRV調頻裝置時延支路,SP為被試斷路器。標準要求的預期TRV的振幅系數kaf為1.4,考慮到沖擊短路發電機的工頻恢復電壓效率為85%,振幅系數kaf需要提高到1.65來補償由于發電機衰減的影響。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短路開斷試驗回路

應用本文中的無量綱TRV參數計算方法,查圖4,dS取0.15,試驗回路電感L為0.7×10-3H,TRV參數t3為61 μs,應用式(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回路的雜散電容,實際投入參數的時候需要考慮雜散電容的影響,經過調試,RS實際投入5.0 Ω,CS實際投入0.6 μF,Cp實際投入0.3 μF。發電機勵磁整定電壓為12.6 kV,強制勵磁在短路電流開始前40 ms投入,預期開斷時刻前10 ms退出,強勵倍數設置為8倍。

如圖5所示,試驗回路初始狀態為試品和操作斷路器處于合閘位置,合閘開關處于分閘位置。發電機勵磁就緒,到達設定電壓值后發出試驗指令,合閘開關關合試驗回路,短路電流流過試品,經過一定的金短時間后試品分閘,并承受開斷后的TRV,經過300 ms后操作開關分閘,試驗結束。由羅氏線圈測得A、B、C三相的試驗電流分別為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的工頻恢復電壓波形見圖6(a)所示,瞬態恢復電壓TRV的波形見圖6(b)所示。

圖6 短路開斷試驗TRV波形數據

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

4 結論

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

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

(2)由預期的TRV振幅系數kaf,在圖中查出對應的dS值。由已知的試驗回路電感L、TRV參數t3、無量綱變量dS,可以通過逆運算計算得出有量綱變量RS、CS,且根據經驗TRV調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方式T100s為例,驗證了計算方法的實用性和有效性,該方法極大的提升了計算效率和縮短了回路調試時間。