基于M A TLA B的特高壓斷路器瞬態(tài)恢復(fù)電壓研究

鄭艷彬 ，敬　濤 ，慕德凱 ，劉　鵬 ，王　瓊

（1.山東送變電工程有限公司，山東　濟南　250118；2.國網(wǎng)山東莒縣供電公司，山東　日照　276500；3.國網(wǎng)山東省電力公司臨沂供電公司，山東　臨沂　276000；4.國網(wǎng)山東省電力公司棗莊供電公司，山東　棗莊　277100）

0　引言

在電力系統(tǒng)運行中，斷路器作為保護裝置發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，斷路器的安全決定了電力系統(tǒng)運行安全。恢復(fù)電壓是斷路器固有的一種性質(zhì)，在斷路器開斷故障、燃弧熄滅后，出現(xiàn)在觸頭上的電壓即為恢復(fù)電壓。在時間尺度上，將恢復(fù)電壓分為工頻恢復(fù)電壓和瞬態(tài)恢復(fù)電壓。

觸頭間燃弧熄滅后，先出現(xiàn)的持續(xù)10 μs～10 ms的暫態(tài)電壓稱作瞬態(tài)恢復(fù)電壓 （Transient Recovery Voltage，TRV）；暫態(tài)過程衰減完畢后，觸頭間出現(xiàn)的穩(wěn)態(tài)電壓稱為工頻恢復(fù)電壓。因這段時間內(nèi)觸頭間游離的質(zhì)點還不少，而且介質(zhì)強度不穩(wěn)定，故瞬態(tài)恢復(fù)電壓特性比工頻恢復(fù)電壓特性對斷路器短路開斷具有更大影響[1-2]。所以，TRV參數(shù)一直都是斷路器的重要參數(shù)。TRV參數(shù)中，主要關(guān)注的是TRV的幅值和上升率 （rate of rise of recover voltage，RRRV），上升率也叫作陡度。

隨著電壓等級的提高，瞬態(tài)恢復(fù)電壓的幅值也不斷提高，尤其是特高壓的TRV，其幅值將對斷路器和氣體絕緣開關(guān)的絕緣造成極大的影響，并影響斷路器的開斷能力，是斷路器設(shè)計過程中重要參數(shù)之一[3-5]。

1　瞬態(tài)恢復(fù)電壓

1.1　參數(shù)表示方法

TRV特性常用二參數(shù)法（T10和T30）和四參數(shù)法（T100、T60、OP1 和 OP2）表示。 電壓等級低于 110 kV或者雖然高于110 kV但短路電流較小或者額定開斷短路電流較小時，TRV近似于單頻震蕩波，此時選擇二參數(shù)法表示。電壓等級高于110 kV或者開斷短路電流較大時，TRV是一種多頻振蕩波。這是因為高壓電網(wǎng)是一個多電源、多出線的大容量網(wǎng)絡(luò)，使其必然成為多頻振蕩的電源網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生多頻TRV。此時的TRV很難用二參數(shù)法表示，只能使用四參數(shù)法表示。

1.2　影響因素

斷路器開斷的故障主要分為兩類，短路故障和系統(tǒng)失步解列故障。典型的故障有斷路器端部故障（BTF），變壓器限制的短路故障（TLF）、短線路故障（SLF）、長線路短路故障（LLF）和失步解列故障（OP）。

波形和上升率（RRRV）。TRV取決于回路參數(shù)（電感、電容、電阻、波阻抗等）因素和斷路器特性（電弧電壓、弧后電導(dǎo)及斷口并聯(lián)的電容、電阻等）因素。一般情況下BTF產(chǎn)生指數(shù)波性質(zhì)的TRV，TLF產(chǎn)生振蕩波性質(zhì)的TRV。故障產(chǎn)生的TRV嚴(yán)重程度按升序排列為：LLF、SLF、BTF、TLF。 OP 開斷產(chǎn)生的 TRV一般都很嚴(yán)重，為了電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行，需要對失步解列開斷點進行預(yù)先設(shè)定。

幅值。TRV的大小與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、故障類型（短路故障、系統(tǒng)失步解列故障）、故障發(fā)生的時間及隨后的斷路器開斷時間、開斷時短路電流（包括交、直流分量）的大小和三相開斷的時序等多種因素相關(guān)，需要統(tǒng)計分析，求出最大的 TRV[6]。

在接地故障類型中三相接地故障TRV最大，單相接地故障時最小。根據(jù)IEC高壓交流斷路器標(biāo)準(zhǔn)，在斷路器開斷短路電流的過程中，最嚴(yán)重的TRV出現(xiàn)在開斷斷路器端部三相短路故障（BTF）和出口1 km 左右處三相短路故障時[7]。

開斷失步情況下的TRV與兩個系統(tǒng)失步振蕩后的相位有關(guān)。理論上最嚴(yán)重失步情況下的TRV出現(xiàn)時兩個系統(tǒng)的電勢相位差為180°左右。

1.3　限制TRV措施

目前主要的限制措施有：減小短路電流、斷路器使用分閘電阻、低壓側(cè)并聯(lián)電容器、裝設(shè)金屬氧化物（MOV）限壓器方法、控制斷路器分閘相角等。

減小短路電流。TRV的大小與短路電流有著密切的關(guān)系，一般短路電流越大，TRV的幅值越大，而且容易導(dǎo)致斷路器第一次開斷故障失敗，引起電弧重燃，從而產(chǎn)生二次或者多次TRV。因此，限制短路電流法是一種有效抑制TRV幅值的方法?，F(xiàn)在廣泛使用的一種可行的方法是采用串聯(lián)電抗器，國際上巴西、加拿大、日本等國已經(jīng)應(yīng)用了這項技術(shù)，目前我國在短路電流嚴(yán)重超標(biāo)的地區(qū)使用了該項技術(shù)，另外一些工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，在配網(wǎng)中應(yīng)用了這項技術(shù)[8]。但是線路在裝設(shè)串聯(lián)電抗器后，由于電抗器的影響，會使線路斷路器TRV上升率（陡度）提高，同時會使短路電流直流分量的時間常數(shù)增大，從而導(dǎo)致電弧釋放的能量增大，這些都可能影響斷路器的正常開斷。

分閘電阻的使用。現(xiàn)實經(jīng)驗表明分閘電阻是降低TRV的有效措施，日本特高壓電網(wǎng)就是主要依靠斷路器分閘電阻來限制相鄰線路接地故障的操作過電壓水平，也用來限制TRV的幅值和電壓上升率，減輕斷路器的負(fù)擔(dān)[8]。但分閘電阻要求的熱容量大、造價高，使斷路器的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，不僅降低了工作時動作可靠性，還為維護檢查工作加重了負(fù)擔(dān)，且開斷短路電流時電阻發(fā)熱現(xiàn)象不能忽略。我國學(xué)者在分析使用分閘電阻的優(yōu)缺點之后提出，在不使用分閘電阻的條件下，特高壓試驗示范工程斷路器的瞬態(tài)恢復(fù)電壓峰值及上升率均在IEC斷路器標(biāo)準(zhǔn)擴充和我國1 000 kV斷路器恢復(fù)電壓電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值的允許范圍內(nèi)[6]。這一觀點在淮南—皖南—浙北—滬西1 000 kV同塔雙回線路輸電工程的東線被采用，從而沒有使用分閘電阻。所以斷路器是否使用分閘電阻來限制TRV要具體問題具體分析。

并聯(lián)電容器。并聯(lián)電容器也是一種限制TRV的有效手段，它主要是起到限制TRV上升率的作用，如變壓器側(cè)并聯(lián)一組電容可有效降低恢復(fù)電壓的上升率[10-12]，串聯(lián)電抗器兩側(cè)并聯(lián)電容器也可降低瞬態(tài)恢復(fù)電壓陡度[9]。

裝設(shè)金屬氧化物（MOV）限壓器。金屬氧化物能夠很好地限制瞬態(tài)恢復(fù)電壓的幅值，已經(jīng)在420 kV土耳其等超高壓輸電網(wǎng)中得到使用，且效果顯著，但仍然存在著金屬氧化物吸收能量較大的經(jīng)濟問題，為解決該問題，不得不對隔離開關(guān)（ES）進行操作，因此這種方法會加大運行人員的工作難度，增加操作的失誤率。

控制斷路器分閘相角方法。通過合理控制分閘相位可以降低TRV的瞬態(tài)恢復(fù)特性，但是該方法對斷路器操縱機構(gòu)的動作速度要求很高，且若沒有在電流零點分閘，存在發(fā)生電流截流并進一步發(fā)展為過電壓的危險。

2　基于MATLAB的仿真及應(yīng)用

2.1　仿真數(shù)據(jù)計算和仿真模型選擇

使用仿真軟件模擬法和合成實驗法是現(xiàn)階段研究斷路器瞬態(tài)恢復(fù)電壓特性的兩種主要方法。目前使用的仿真軟件主要有EMTP（Electro-Magnetic Transient Program，電磁暫態(tài)程序）、MATLAB和PSCAD，使用最廣泛的是MATLAB／Simulink模型庫。本研究使用MATLAB中的Simulink建立一個單電源單母線單變壓器的簡單系統(tǒng)，如圖1所示，發(fā)電機電壓為500kV，變壓器變比為1∶2，線路電壓為1 100 kV。假設(shè)系統(tǒng)為無窮大系統(tǒng)，分別在斷路器端部、離斷路器1 km處、不同位置的短線路和長線路處，設(shè)置0.05 s時分別發(fā)生單相、兩相和三相接地短路故障，由于斷路器的延時特性，斷路器將在0.1 s動作，斷開觸頭，模擬開斷故障過程。

線路參數(shù)：R1=0.008 1 Ω／km，L1=0.8 mH／km，C1=0.014 μF／km，線路額定電壓為 1 100 kV。

變壓器的額定容量SN=3 000 MVA，短路電壓百分?jǐn)?shù)10.5%，短路損耗ΔP0=155 kW，空載電流百分?jǐn)?shù)0.07%，變比kT=550／1 100，高低壓繞組均為Y形連接。

2.2　仿真建模

將進行不同部位、不同類型的接地短路故障仿真，給出的是發(fā)生近區(qū)故障（離斷路器1 km）、三相短路時的仿真模型。

2.3　仿真結(jié)果

根據(jù)仿真，結(jié)果如表1～表4所示。

表1　斷路器端部發(fā)生短路故障時的數(shù)據(jù)　kV

表1是在斷路器端部設(shè)置單相、兩相和三相接地短路故障時的TRV峰值，由數(shù)據(jù)可以看出當(dāng)發(fā)生三相短路故障時，TRV峰值最大。

表2　1 km處發(fā)生短路故障時的數(shù)據(jù)　kV

圖1　無窮大系統(tǒng)仿真模擬圖

表2是離斷路器1 km處設(shè)置單相、兩相和三相接地短路故障時的TRV峰值，由數(shù)據(jù)可以看出當(dāng)發(fā)生三相短路故障時，TRV峰值最大。

根據(jù)以上分析，可以發(fā)現(xiàn)在同一位置，當(dāng)發(fā)生三相短路故障時TRV峰值最大。以下在分析短線路和長線路的故障時，只研究發(fā)生最嚴(yán)重的三相接地短路故障時的TRV峰值。

表3　短線路不同距離三相短路故障數(shù)據(jù)

表3是在離斷路器端部10 km、40 km和100 km處的短線路處，分別設(shè)置發(fā)生三相接地短路故障時的TRV峰值，由結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)在發(fā)生短線路故障時，離斷路器越遠危害越大。

表4　長線路不同距離三相短路故障數(shù)據(jù)

表4是在離斷路器端部300 km、500 km和1 000 km的長線路處，分別設(shè)置發(fā)生三相短路故障時的TRV峰值，由數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)在發(fā)生長線路故障時，離斷路器越近危害越大。

分析以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在斷路器端部發(fā)生三相短路故障時，TRV峰值和短路電流最大，即為最嚴(yán)重的故障情況。斷路器端部發(fā)生三相短路時，A相的TRV圖像及其局部放大如圖2所示，電流波形如圖3所示。

經(jīng)過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，在0.05 s發(fā)生三相接地短路故障，由于斷路器的延時性，斷路器在0.1 s斷開故障，線路上出現(xiàn)大短路電流，短路電流發(fā)生振蕩衰減，直到短路電流衰減為0后，在斷路器兩端出現(xiàn)TRV。

圖2　開斷斷路器端部短路故障時A相TRV圖

圖3　開斷斷路器端部短路故障時A相電流波形圖

2.4　工程應(yīng)用

在給出的5種抑制斷路器TRV措施中，裝設(shè)分閘電阻以及金屬氧化物（MOV）限壓器的經(jīng)濟造價高，控制斷路器的分閘相角對操作機構(gòu)的速度要求提高，并存在進一步發(fā)展為過電壓的危險。而采用在線路中串聯(lián)電抗以及在串聯(lián)變壓器側(cè)并聯(lián)多組電容以及串聯(lián)電抗器兩側(cè)并聯(lián)電容器相結(jié)合的方式可以有效地抑制TRV。在模型中增加電容電抗后仿真結(jié)果表明在斷路器端部發(fā)生短路故障時TRV的峰值比沒有采取抑制措施之前降低了20%左右，如表5所示。

表5　斷路器端部發(fā)生短路故障時的數(shù)據(jù)　kV

采用在線路中串聯(lián)電抗以及在串聯(lián)變壓器側(cè)并聯(lián)多組電容以及串聯(lián)電抗器兩側(cè)并聯(lián)電容器相結(jié)合的方式的優(yōu)點在于從經(jīng)濟角度講電容器組以及電抗器組造價成本相對較低，從技術(shù)角度講電容器組以及電抗器組生產(chǎn)制造工藝較成熟且抑制效果明顯。宜在特高壓電網(wǎng)建設(shè)中廣泛推廣使用。

3　結(jié)語

通過MATLAB／Simulink建立了一個單電源單母線單變壓器的特高壓交流輸電線路仿真模型，通過在斷路器端部、離斷路器1 km處設(shè)置單相、兩相和三相接地短路故障，分析仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)在同一位置發(fā)生三相短路故障時的TRV峰值和短路電流最大；在離斷路器端部10 km、40 km和100 km處的短線路，以及離斷路器端部300 km、500 km和1 000 km處的長線路分別設(shè)置三相短路故障，分析仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)在斷路器端部發(fā)生三相短路時的TRV峰值最大，并給出斷路器端部發(fā)生三相短路時的TRV波形和短路電流波形。

經(jīng)過以上分析，在斷路器端部發(fā)生三相短路時，短路電流最大，導(dǎo)致燃弧也嚴(yán)重，且瞬態(tài)恢復(fù)電壓的幅值及上升率均超過了IEC 62271-100和DL／T 402—2016高壓交流斷路器的標(biāo)準(zhǔn)值，對斷路器的絕緣介質(zhì)、開斷能力、耐壓能力等提出更高要求，必須對特高壓交流斷路器的TRV采取抑制措施，否則將嚴(yán)重危害輸電線路的安全運行。

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