10 kV零壓降零損耗深度限流裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

蔡根滿(mǎn), 易孝波

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局, 廣東 中山 528401;2.珠海市伊特高科技有限公司, 廣東 珠海 519070)

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的急速增長(zhǎng),系統(tǒng)中短路故障電流幅值超過(guò)斷路器遮斷容量的問(wèn)題日漸嚴(yán)峻[1].短路電流的幅值往往是額定運(yùn)行電流的數(shù)倍,對(duì)電氣設(shè)備造成很大的沖擊,而如今普遍的真空斷路器的開(kāi)斷能力均在40 kA以下,開(kāi)斷時(shí)間需要幾十毫秒[2].如果開(kāi)關(guān)和斷路器在短路電流超標(biāo)時(shí)不能及時(shí)斷開(kāi),將會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損毀,事故范圍擴(kuò)大.一旦發(fā)生短路故障,電網(wǎng)將頻頻面臨故障電流接近和達(dá)到負(fù)載真空斷路器使用極限的情況.變壓器抗短路電流能力設(shè)計(jì)不足、短路時(shí)設(shè)備電壓水平不穩(wěn)定、真空斷路器遮斷容量不足等問(wèn)題嚴(yán)重威脅著電網(wǎng)的安全運(yùn)行,因此如何有效深度限制電網(wǎng)短路電流已成為亟待解決的難題[3].

當(dāng)短路電流幅值超過(guò)斷路器的最大遮斷容量時(shí),一般通過(guò)改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式來(lái)限制短路電流,或替換更大遮斷容量的斷路器和電磁解環(huán),以及采用高阻抗變壓器、電網(wǎng)分區(qū)運(yùn)行等[4-5],但以上措施均是以犧牲電網(wǎng)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性為代價(jià)的.投入高阻抗變壓器被許多企業(yè)用于限制系統(tǒng)短路電流[6],但此方法并沒(méi)有最終解決限流的深度問(wèn)題,還存在功率損耗和投資成本上升的弊端.在出線(xiàn)斷路器處串聯(lián)電抗器可以在短路故障時(shí)增大短路阻抗,限制短路電流,可以滿(mǎn)足增大斷路器遮斷容量的要求[7-8].在發(fā)生短路時(shí),電抗器分擔(dān)了較大的電壓,可以維持母線(xiàn)的電壓水平,保證了非故障線(xiàn)路上電氣設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性[9].但串聯(lián)電抗器也沒(méi)有從根本上解決限流深度問(wèn)題,同時(shí)帶來(lái)了功率損耗、漏磁場(chǎng)等問(wèn)題[10].因此,使用零損耗、零壓降的深度限制短路電流的電抗器,對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行意義重大.本文設(shè)計(jì)了一種10 kV零損耗深度限流裝置,并通過(guò)在220 kV變電站中的應(yīng)用驗(yàn)證了其可行性.

1 限流裝置的工作原理

零損耗深度限流裝置(Zero Lossing Current Limiting Breaker Equipment,ZLB)主要由換流器和限流電抗器并聯(lián)構(gòu)成,其中換流器由電流互感器(Current Transformer,CT)、高速真空斷路器、電容器、壓敏電阻、分相控制器等組成,換流器核心部件為高速渦流驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān),其一次原理如圖1所示.

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí),電流幅值大于設(shè)定值,分相控制器模塊快速地計(jì)算出每一相電流過(guò)零點(diǎn)的準(zhǔn)確時(shí)間,并在每相電流過(guò)零之前發(fā)出信號(hào).高速渦流開(kāi)關(guān)快速進(jìn)行分閘,此時(shí)短路電流由換流器引入限流電抗器回路,短路電流降至幅值的50%以下,因此系統(tǒng)及線(xiàn)路相關(guān)設(shè)備所受到的短路沖擊大大降低,同時(shí)真空斷路器的遮斷電流也會(huì)降低,保證了系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行.故障切除后,分相控制器模塊將檢測(cè)母線(xiàn)電壓,待電壓回升后,迅速給高速渦流開(kāi)關(guān)發(fā)出合閘信息,電抗器退出,系統(tǒng)即可恢復(fù)正常運(yùn)行.總之,正常運(yùn)行時(shí),真空斷路器在合閘狀態(tài),電抗器被斷路器短路;事故瞬間,高速渦流真空斷路器跳閘,電抗器接入,承受短路電流.

圖1 零壓降零損耗深度限流裝置的一次原理

2 深度限流裝置控制系統(tǒng)

2.1 控制邏輯

深度限流裝置中,使用羅克CT采集電路系統(tǒng)正常工作時(shí)的母線(xiàn)電流信號(hào),以控制深度限流裝置的開(kāi)關(guān)分閘動(dòng)作;返回CT采集限流電抗器上的電流信號(hào),以控制深度限流裝置的開(kāi)關(guān)合閘時(shí)間.若在2 s內(nèi)短路故障消除,則根據(jù)返回CT采集的電流信號(hào)判斷合閘時(shí)間;若在2 s內(nèi)短路故障仍然存在,則開(kāi)關(guān)自動(dòng)合閘,保護(hù)限流電抗器.

2.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

深度限流裝置的控制系統(tǒng)包括中繼控制器和3個(gè)分相控制器,其中中繼控制器置于現(xiàn)場(chǎng)操作柜中,分相控制器分別內(nèi)置于各快速斷路器中.分相控制器獨(dú)立控制各相快速斷路器單元,中繼控制器通過(guò)光纖與各分相控制器聯(lián)結(jié),顯示各相快速斷路器的狀態(tài)信息,并維護(hù)定值,還可提供數(shù)據(jù)接口和信號(hào)節(jié)點(diǎn)與中控室計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)進(jìn)行通訊.圖2為零損耗深度限流裝置控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖.

圖2 零損耗深度限流裝置控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意

2.3 分相控制器結(jié)構(gòu)

分相控制器子站的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示.它包含A相、B相、C相3個(gè)分相控制器,每個(gè)分相控制器通過(guò)檢測(cè)羅克CT和返回CT的電流信號(hào),獨(dú)立控制各相的快速斷路器單元.子站通過(guò)RS485通信接口和光纖與外界進(jìn)行通信.

圖3 分相控制器子站整體結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)控制器中羅克CT感應(yīng)電流的處理和相應(yīng)的控制功能,本文采用FPGA芯片和DSP芯片相結(jié)合的方案.每個(gè)分相控制器采集到的羅克電流信號(hào)經(jīng)隔離、放大和AD處理后,由FPGA芯片完成采集,再發(fā)送至DSP芯片進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理.經(jīng)DSP芯片處理后的結(jié)果將再返回FPGA芯片進(jìn)行控制,最終實(shí)現(xiàn)斷路器的開(kāi)關(guān)動(dòng)作.同時(shí),FPGA芯片需將監(jiān)控控制器的數(shù)據(jù)發(fā)送至DSP芯片,由后者將數(shù)據(jù)送至后臺(tái)子站.

3 10 kV零壓降零損耗深度限流裝置的應(yīng)用

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的零損耗深度限流裝置的功能,以220 kV同益變電站為例,在同益站3 臺(tái)主變壓器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“主變”)的10 kV 側(cè)加裝10 kV零壓降零損耗深度限流裝置,并分析其限流效果.

3.1 變電站實(shí)施前概況

在加裝零壓降零損耗深度限流裝置前,220 kV同益站3 臺(tái)主變的10 kV側(cè)已經(jīng)安裝了10%,4 000 A的限流電抗器.220 kV同益站的10 kV母線(xiàn)分列運(yùn)行,1#主變供10 kV 1 M負(fù)荷,2#主變供10 kV 2 AM,2 BM母線(xiàn)負(fù)荷,3#主變供10 kV 3 M 母線(xiàn)負(fù)荷,10 kV 1#分段5012 開(kāi)關(guān)、2#分段5023開(kāi)熱備用.

10 kV線(xiàn)路開(kāi)關(guān)額定遮斷電流為31.5 kA.分列運(yùn)行時(shí)短路電流為26.17 kA,并列運(yùn)行時(shí)的短路電流數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 不同并列運(yùn)行方式的短路電流數(shù)據(jù)

由表1可知,當(dāng)系統(tǒng)3臺(tái)主變并列運(yùn)行時(shí),10 kV母線(xiàn)的短路電流達(dá)到48.13 kA,為開(kāi)關(guān)額定遮斷電流的160.40%,此時(shí)原系統(tǒng)中串聯(lián)的電抗器的限流效果不足以使開(kāi)關(guān)安全運(yùn)行并可靠開(kāi)斷,在變換運(yùn)行方式時(shí),母線(xiàn)需要停電,否則短路電流將超過(guò)開(kāi)關(guān)的遮斷容量,造成開(kāi)關(guān)無(wú)法分段.

3.2 工程實(shí)施

將10 kV零壓降零損耗深度限流裝置安裝在220 kV同益站1#,2#,3#主變10 kV 側(cè)限流電抗室內(nèi),安裝位置為10 kV變低側(cè)和變低開(kāi)關(guān)之間的原限流電抗器處,主接線(xiàn)圖如圖4所示.

其主要實(shí)現(xiàn)的功能如下.

(1) 在電網(wǎng)運(yùn)行方式發(fā)生變化、電源點(diǎn)數(shù)目增加、系統(tǒng)短路電流增大并超標(biāo)的情況下,故障發(fā)生時(shí),無(wú)需再擔(dān)心斷路器無(wú)法開(kāi)斷超標(biāo)的短路電流,造成事故的發(fā)生和擴(kuò)大.深度限流裝置可以使運(yùn)行方式變得更加靈活,避免受到短路電流超標(biāo)對(duì)運(yùn)行方式的限制.例如,兩臺(tái)主變10 kV側(cè)負(fù)荷轉(zhuǎn)由一臺(tái)主變供電時(shí),需要兩臺(tái)主變10 kV側(cè)短時(shí)并列運(yùn)行,并列后最大短路電流超標(biāo),通過(guò)加裝零壓降、零損耗深度限流裝置,可以在故障發(fā)生的瞬間將短路電流限制在開(kāi)關(guān)開(kāi)斷容量范圍內(nèi).因此,在轉(zhuǎn)變供電方式的過(guò)程中,就無(wú)需對(duì)其中一段10 kV開(kāi)關(guān)進(jìn)行短時(shí)停電,確保了供電的連續(xù)性和可靠性.

(2) 對(duì)于短路阻抗偏低的變壓器,如果存在單臺(tái)主變分列運(yùn)行時(shí)短路電流也超標(biāo)的情況,按照目前的常規(guī)做法,需要在變低側(cè)加裝限流電抗器以限制短路電流.加裝零壓降、零損耗深度限流裝置后,可以取消常規(guī)限流電抗器,解決了加裝固定限流電抗器后,長(zhǎng)期運(yùn)行帶來(lái)的系統(tǒng)壓降、功率損耗、電磁污染、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定降低等問(wèn)題.

(3) 加裝零壓降、零損耗深度限流裝置,可以顯著降低因短路事故對(duì)電網(wǎng)設(shè)備造成的累計(jì)沖擊,有效地提高設(shè)備的使用壽命,提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性,保持設(shè)備的健康水平,有利于設(shè)備的全生命周期管理.

圖4 深度限流裝置安裝位置接線(xiàn)示意

3.3 錄波數(shù)據(jù)分析

圖5是同益站10 kV 710線(xiàn)路近區(qū)兩相短路故障的錄波數(shù)據(jù).圖5中,實(shí)線(xiàn)為投入限流裝置之前的電流峰值,虛線(xiàn)為限流裝置投入后的電流峰值,對(duì)比投入限流裝置前后的電流峰值數(shù)據(jù)可以看出:限前電流最大峰值約28 kA,而限后電流最大峰值約13.5 kA.由此可見(jiàn),采用10 kV零壓降零損耗深度限流裝置后,兩相故障電流降低了51.79%.

圖5 710線(xiàn)路短路投入限流裝置前后的錄波情況

圖6是同益站10 kV 727 線(xiàn)路近區(qū)三相短路故障的錄波數(shù)據(jù).圖6中,實(shí)線(xiàn)為投入限流裝置之前的電流峰值,虛線(xiàn)為限流裝置投入后的電流峰值.對(duì)比投入限流裝置前后的電流峰值數(shù)據(jù)可以看出:限前電流最大峰值約18.2 kA,而限后電流最大峰值約15.9 kA,三相故障電流幅值降低了12.63%.由此可見(jiàn),限流裝置有效降低了最大短路電流.

4 結(jié) 語(yǔ)

本文研制了一種10 kV零壓降、零損耗故障限流裝置,降低了短路電流對(duì)電氣設(shè)備的沖擊,同時(shí)提高了斷路器的開(kāi)斷容量裕度,增加了開(kāi)關(guān)及斷路器的可靠性,延長(zhǎng)了其使用壽命.通過(guò)該裝置在220 kV同益變電站10 kV側(cè)的成功應(yīng)用,證明了其對(duì)保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有顯著的效果.

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