（建筑电气论文）特高压断路器的瞬态恢复电压研究.docx

第31卷第1期电网技术5特高压断路器的瞬态恢复电压研究A Study on Transient Recovery Voltage of UHV Circuit BreakersLIN Ji-ming1, GU Ni-hong1, WANG Xiao-gang1, BAN Lian-geng,WANG Cheng-yu1, XIANG Zu-Uo1, SUN Gang2, ZHENG Bin1(1 China Electric Power Research Institute Haidian District, Beijing 100085 China：2. State Grid Corporation of China. Xicheng District Beijing 100031 China)ABSTRACT : The authors investigate the transient requirements of 1 lOOkV AC circuit breakers mainly for Chinas Jin-NanJing UHV pilot project. This research item includes two parts: (A) The transient recovery voltages (TRV) after circuit breakers interrupt the short-circuit currents or the current in out of phase condition： (B) The time constant of DC component of shortcircuit currents and zero offset of current. Based on these results, the suggestion on transient requirements of 1 lOOkV AC circuit breakers is presented As the first part of the research item, this paper focuses on the transient recovery voltages of the UHV circuit breakers after the short circuit current is broken or the gird is sectionalized due to fall-out of synchronism According to the results in the UHV pilot project, it is anticipated that without using opening resistor, the TRV peak values and the rise rates of circuit breaker in the UHV power system fall within the allowed ranges prescribed in cither the IEC circuit breaker standard extension or Chinese test condition for 1100 kV circuit breakersKEY WORDSt UHV: circuit breaker： transient recoveiy voltage； rise rate of voltage摘要:结合晋东南一南阳一荆门1000kV特高压试验示范工 程，研究了交流1100kV断路器瞬态问题中的斷路器开断短 路电流或失步解列后的瞬态恢复电压(transient recovery voltage, TRV)内容.在此基础上提出了我国交流1100 kV 特高压断路器的工作条件建议，分析了待高压斷路器TRV 问题的前景。认为我国特高压电网斷路器在不采用分闸电阻 的条件下，可满足IEC断路器扩展标准和正在修订的我国 电力行业斷路器标准中对TRV的要求。关键词：特高压；断路器；瞬态恢复电压；电压上升率0引言在特高压电网中，断路器是非常重要也是制 造难度最大的设备之一山叽如何确定其瞬态特性, 无论从制造方面还是特高压系统的安全可靠运行 方面都是非常重要的。断路器的瞬态特性主要包 括2个方面：断路器开断之后的瞬态恢复电压 (transient recovery voltage, TRV)主要包括断路器 开断短路电流之后的瞬态恢复电压及系统失步解 列之后的恢复电压；断路器开断短路电流过程 中的直流分量时间常数及短路电流过零点漂移问 题。这2个问题均对特高压断路器的试验条件和 制造有重大影响。本文讨论特高压断路器开断短路电流及失步 情况下的瞬态恢复电压问题。一些国内外专家认为 特高压断路器的TRV问题比较严重，只有使用分 闸电阻才能将其限制在IEC断路器标准扩展范 围内。但分闸电阻要求的热容量大、造价高，本文 还研讨了不使用分闸电阻限制TRV的可行性.1断路器瞬态恢复电压分析中的若干问題 回顾1.1断路器瞬态恢复电压的影响因素及计算方法 评估在断路器灭弧后，首先出现在弧隙的具有瞬态 特性的电压称为瞬态恢复电压】。对于TRV主要 考核2个指标：一个是上升率，另一个是峰值。目 前国内外主要采用电磁暂态类软件计算TRV,这 类软件的优点是它有较强的电力系统各主要元件的 模拟能力。但在模拟TRV方面存在以下不足：(1 )由于断路器端部故障(breaker tenninal fault, BTF)时TRV的频率相当高，约几千赫兹。 在这样高的频率下，损耗也会有所增加，但数字仿 真中尚无法全面考虑高频下各元件的损耗。(2) 在BTF工况下TRV的上升率受杂散参数 影响很大，其中母线电容、变压器入口电容及高中 压绕组之间电容和特高压系统及500 kV系统侧的 参数影响比较明显。杂散参数有些可以估算，而另 一些参数往往忽略不计。这也会使计算出的TRV 上升率偏高。(3) 在电磁暂态类软件模拟中，均将断路器 模拟成理想开关，即认为燃弧过程中的弧道电阻为 零，在过零熄弧后电阻立即从零变为无穷大。这与 断路器的实际灭弧过程有较大差别，可能使TRV 计算结果偏高。有人曾提出考虑断路器内部电与热 过程的断路器模型，但由于参数获取上有一定困 难，较难使用。上述3个因素使计算出的TRV的峰值和上升 率偏高，将这些结果与IEC 62271-100(1(),标准比较 时，其结果是偏安全的。此外，IEC断路器标准也 是个试验标准，经过多年实践，IEC发现TRV标准 偏高，已多次降低其对TRV峰值及上升率的要求。 1.2 IEC断路器标准中瞬态恢复电压的变化情况1EC断路器标准中TRV部分从20世纪60年代 开始经历2次变化，其对应的包络线如图1所示。(b) 1989年后TRV包络线(4参数)(c) 2001年后TRV包络线(4参数) 图】EC断路器标准中瞬态恢复电压波形包络线Fig. 1 The envelope curve of transient recovery voltage in the IEC circuit breaker standard(1 )20世纪60年代TRV波形包络线(2参数)。 如图1(a)所示，包络线峰值址为 %=%花从近I品 式中：如、匕f分别为首开极系数和振幅系数M叫 U为额定电压。包络线的上升率为如血，其中2为上升到所对应的时刻。(2) 1989年后TRV波形包络线(4参数)。如图1(b)所示，波形中第一参考电压为屿= kppUr V2/3，上升率与图1(a)中址2相同， 但3/2。(3) 2001年后TRV波形包络线(4参数)。如图1(c)所示，与1989年相比，2001年IEC 断路器标准(中第一参考电压下降了 25%, ,= 0.75/p匕血/巧。其上升率血|仍与图1(b)起始 部分相同。(4) IEC断路器标准几次修改的比较。1) 2次修改中，虽然上升率保持不变，但第一 参考电压血愈降愈低了，考核就减轻。2) 原1EC标准【中10%额定短路开断电流下 的试验条件T10中上升率为10kV/ps(500kV),下 降为7kV/gs,振幅系数原来是1.7(500kV),现在为 1.53,均有所降低。3) 原IEC标准中30%额定短路开断电流下试 验条件T30中的振幅系数原来是1.5,现在为1.53, 比以前稍严一点，但变化不大。这些变化带来一个有意思的反差：从20世纪 80年代开始，1EC 2次降低对断路器TRV试验的要 求。而从计算角度来看，自80年代中期以来，TRV 的计算方法基本不变，这样，IEC每降低一次标准， 计算结果越容易超过标准，越容易造成断路器不符 合要求的假象。对此目前还在不断研究，但使用者 应注意这个倾向。1.3特高压断路器的瞬态恢复电压标准问题目前IEC断路器标准中没有1 100 kV断路器 TRV的标准。本文采用以下条件：(1) 根据IEC62271100标准，将550 kV断 路器试验的TRV标准计算方法扩充至1 100 kV断 路器。(2) 在我国电力行业标准DUT 402-200X(,41 中，提出同一种1100kV断路器试验的TRV标准， 如表1所示。比较表1的1100kV断路器试验条件和IEC标 准中550 kV断路器试验条件，可以发现前者的 TRV峰值比后者高得多，前者为后者的1.732倍; 但2个电压等级断路器TRV上升率的要求却保持 不变。目前1100kV断路器断口是由2组550kV断 路器断口串联而成，考虑断口Z间电压上升率分布 的不均匀性，每个1 100 kV断路器能承受的TRV表1用4参数(T100. T60、OP 1和OP2)或2参数 (T30和T10)表示的额定电压1 100 kV断路器恢复电压 电力行业标准值(相当于IEC标准的扩充)Tab 1 TRV criteria of circuit breakers with the ratedvoltage 1 100 kV stipulated in China electric powerindustry society equivalent to IEC extension presented byfour parameters (T100, T 60. OP 1 and OP 2) or twoparameters (T 30 and T10)试验开断电流/首幵极TRV峰值/上升率/条件kA系数系数kV(kV/ps)T100501.31.416352.0T60301.31.517513.0T30151.31.5317865.0T1051.30.9x1.717867.0OPI、OP212.52.01.2522451.54注：T 100. T60、T30、T 10分别表示断路签开断100%. 60%.30%. 10%额定短路开断电派的试验条件：OPI和OP2表示失步 开断的试验条件。上升率也应在表1电压上升率的1.7倍以上，即实 际特高压断路器承受TRV电压上升率的能力比表1 所列出的要大得多。2三相接地故障情况下特高压断路器的瞬 态恢复电压2.1故障位置本节研究晋东南一南阳一荆门特高压试验示 范工程中晋东南、南阳、荆门3个站的断路器端部 三相接地短路故障(3LG)及距其出口 15 km左右处 三相接地短路故障时TRV的电压峰值和上升率， 这是示范工程可能出现最严重TRV中的一种。故 障如图2所示，计算中均不考虑断路器分闸电阻。华北网等值电源野东南发电厂晋东南图2特高压示范工程中断路器端部故障与岀口 15 km处故障位Fig. 2 The faults location scheme of UHV pilot project2.2晋东南特高压断路器的TRV晋东南特高压站为全封闭组合电器式变电站。 晋东南站是一个终端站，其特高压侧构成较简单， 容易造成TRV的上升率比较高。图3为晋东南单机 情况下，晋东南断路器开断BTF时的最大TRV波形 图(TRV峰值1285.9kV,上升率6.7kV/gs)。表2为 晋东南断路器TRV计算结果。图3晋东南断路器端部三相接地短路时TRVFig. 3 TRV waveform during the three phase BTF ofcircuit breaker at Jindongnan substation表2晋东南断路器TRV最大峰值与最大上升率Tab. 2 The maximum peak values and rise rates of TRVat Jindongnan substation晋东南开故障稳态开断TRV峰值/TRV上升率/机台数形式电流/kAkV(kV/gs)1BTF4.391 285.96.71出口 1 km左右4.341 323.35.3ABTF5.421 232.16.2出口 1 km左右5.37I 25 & 55.5比较表2与表1可见：晋东南断路器最大稳态 开断电流为4.39-5.42kA,标准规定T10试验电流 偏差为20%,则其短路电流对应于标准值中的试验 方式T10o计算最大TRV峰值为1323.3 kV、上升 率为6.7kV/qs,满足标准中峰值1786kV和上升率 7.0kV/ps的要求。2.3南阳特髙压断路器的TRV南阳站为复合组合电器式的开关站，无论哪一 端故障，在断路器分断时，断路器的母线侧总连着 另一条特高压线路，它的TRV情况和晋东南这样 的终端站有较大的差别。计算结果如表3所示，与 表2比较可知，南阳站两侧断路器TRV的峰值和 晋东南站相差不是很大，故大峰值要高出10%左 右；但上升率均比晋东南站要低得多，最大上升率 不到晋东南的50%,这与南阳母线上总连着另一条 特高压线路有很大关系。其峰值和上升率也均满足 标准中T 10试验的1786kV和7.0kV/gs的要求。表3南阳开关站晋东南侧断路器的TRV大峰值与量大上升率Tab. 3 The maximum peak values and rise rates of TRV at Nanyang switching statioii器 路 断南 东 晋一-IV式一流-kv皿晋南线BTFion.49.463 3Iff13Z401.724BTFkm力.6733.6. 3303387! n南荆线BTFkm44.1262.01 11222.974BTFkm38.013141.012.992.4荆门特高压断路器的TRV荆门站为复合组合电器式的变电站，示范工程 阶段该站也是一个特高压终端站。计算中考虑了荆 门变电站各主要设备的杂散电容情况，但忽略母线 与构架之间电容，结果可能偏保守。图4为晋东南 4机情况下，荆门断路器开断端部三相接地故障时 的最大TRV波形(TRV峰值1 314.0 kV,上升率为 6.9kV/ps)。表4为各种故障情况下，荆门特高压断 路器TRV最大峰值与最大上升率计算结果。Fig. 4 TRV waveform during the three phase BTF of circuit breaker at Jingmen substation 表4荆门断路器TRV*大峰值与量大上升率 Tab. 4 The maximum peak values and rise rates of TRV at Jingmen substation晋东南 开机台数故障 形式稳杏开断 电流/kATRV峰值/ kVTRV匕升率/ (kV/gs)1BTF 出口 1km左右5.465.401 314.01 307.76.905.604BTF 出口 1km左右5.775.691 328.81 3276.716.60比较表4与表1中1 lOOkV断路器预期恢复电 压标准值可知：荆门1 lOOkV断路器最大稳态开断 电流为5.77 kA,标准规定T 10试验电流偏差为 20%, 5.77 kA在T 10范围内。计算最大TRV峰 值为1 328.8 kV、上升率为6.90 kV/g 低于T 10 试验要求的峰值1 786 kV、上升率7.0kV/gs的要求。 3失步情况下的特高压断路器瞬态恢复电压断路器开断失步故障时，失步振荡电流虽然较 小，但恢复电压较高，对断路器也是一种考验。标 准中将开断失步情况下的TRV作为考核断路器工 作条件之一。开断失步情况下的TRV与2个系统 失步振荡后的相位有关。理论上最严重失步情况下 的TRV出现在2个系统的电势相位差为180。左右 时。有些部门在计算中采用了线路两端等值电势相 角差180。的解列条件，计算的TRV水平超过延伸 的EEC标准。采用2个等值机之间180。相角差的解列条件与 实际系统情况严重不符。为客观合理但又尽可能考 虑非常严重工况下的失步解列条件，本文针对特高 压试验示范工程的实际条件，计算了相关系统发生 多种非常严重失步故障时的系统情况,并在此基础上 计算失步解列时的TRVo本文分别计算了晋南线和 南荆线断路器开断失步故障的TRV峰值和上升率。 图5为出现最大TRV峰值的波形(峰值2 035.9 kV, 上升率0.716 kV/ps)，其振荡中心在晋南线，南阳侧 断路器先跳闸使系统解列。表5为失步故障下TRV 峰值与最大上升率计算结果。图5振荡中心在晋南线、南阳侧断路器的TRV波形 Fig. 5 TRV waveform of Nanyang circuit breaker during out*of-phase while the oscillation center is in Jin Paris 198&3 中村秋夫，冈本梏，曹祥?.东京电力公司的特高压输电技术应 用现状J电网技术.2005, 29(6)： 1-5.Nakamura Akio. Okamoto Hiroshi t Cao Xianglin. Introduction to lOOOkV transmission technologies conducted by Tokyo electric power company (J. Power System Technology, 2(X)5, 29(6)： l-5(in Chinese).4 林集明，班连庚，王晓刚.中国特高压系统电磺暂态问题探讨C.特 高压国际论坛UHVAC,北京.2005.5 C1GRE Working Group 38-04 and Task Force 30.04.04 Electric power tra