采用220 kV 快速開關的柔性短路電流抑制技術與工程實踐

楊 勇，張 弛，徐 華，邵先軍，戚宣威，金涌濤，何 堅

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014 2.國網浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

隨著浙江電網的快速發展，省內500 kV 及220 kV 等電壓等級的短路電流水平逐年攀升。部分變電站的母線短路電流水平已經接近或者超過了斷路器的遮斷容量，短路電流超標問題已經成為制約浙江電網發展和電網安全運行的主要矛盾之一。

傳統短路電流抑制措施主要有：設備投停、母線分列運行、線路出串運行、電網解環運行、采用高阻設備、變壓器中性點裝設小電抗等措施。浙江電網多采用拉停線路、母線分列運行等措施降低電網的短路電流水平，但這些措施對電網運行的靈活性、可靠性以及經濟性存在一定負面影響[1-2]。

針對常規短路電流抑制措施的弊端，本文提出柔性短路電流抑制技術，通過采用快速開關在故障期間動態改變系統拓撲結構，母線短時分列運行，限制短路電流，同時降低對系統正常運行的影響。故障切除后快速開關迅速閉合，避免了傳統母線長期分列運行給電網帶來的影響[3-4]。

近年來，國內研究者對采用快速開關限制短路電流進行了研究。研究的焦點主要集中于基本原理、快速驅動機構、短路故障識別和仿真分析等問題。文獻[5]對快速開關的關鍵技術即快速渦流驅動技術和短路故障快速識別判據進行了論述，提出利用快速開關的快速分閘特性可以在故障時迅速實現電網解列，達到降低短路電流水平的目的。文獻[6]為解決采用傳統操作機構的斷路器分合閘速度和可靠性較低的問題，提出了一種基于渦流驅動的大容量快速開關，研制了10 kV/5 kA、開斷能力80 kA 的快速開關。文獻[7]以寧夏電網中某750 kV 變電站330 kV 母線發生三相短路故障為算例進行了仿真分析，結果表明采用快速開關的限制短路電流措施不僅能夠顯著地抑制短路電流，而且能夠提升系統暫態穩定性。文獻[8]研究了系統拓撲調整方法、配合時序及動作策略，結合典型系統結構研究了短路電流抑制效果，分析了拓撲調整對系統穩定和繼電保護的影響。但是針對采用220 kV 快速開關短路電流抑制方法的工程應用、人工短路驗證快速開關與常規開關的配合時序以及動作策略的正確性還未見相關報道。

本文闡述了柔性短路電流抑制技術的基本原理、快速開關基本工作原理和短路故障快速識別技術，提出了快速開關與常規開關的配合時序及動作策略，分析了快速開關在不同安裝位置對故障點短路電流的抑制作用。為驗證所提出的動作時序及控制策略的有效性，進行了220 kV 線路單相人工短路試驗。

1 柔性短路電流抑制技術基本原理

圖1 給出了柔性短路電流抑制技術的原理。支路n 發生短路故障，故障點短路電流是由相連的多條饋電支路匯集形成，故障點短路電流超過常規斷路器的遮斷容量，因此常規斷路器無法開斷系統的短路電流。

圖1 柔性短路電流抑制技術原理

柔性短路電流抑制技術采用快速開關在故障期間動態改變系統拓撲結構，即在故障發生后、常規斷路器分閘前將故障點與部分匯集支路隔離，切除支路1 和支路j 的短路電流，從而抑制故障點短路電流水平，降至常規斷路器遮斷容量內，提高切除故障電流的可靠性，降低對電網沖擊。短路故障切除后且在滿足同期并列運行條件的情況下，快速開關自動合閘，系統恢復正常拓撲結構，降低對系統正常運行的影響。

快速開關開斷后，短路電流才能得到限制，要實現柔性短路電流抑制，快速開關應在常規斷路器分閘時間內完成系統拓撲結構調整，因此快速開關快速性能以及快速開關與常規斷路器的時序配合十分重要。下面從快速開關基本工作原理、短路故障快速識別以及快速開關與常規斷路器時序配合3 個方面進行闡述。

2 快速開關工作原理

在快速開關切除短路故障時，滅弧室內部會產生高溫、高壓電弧，斷口間還要承受電弧熄滅后產生的暫態過電壓，斷路器開斷過程中滅弧室內部是一個復雜的氣流場—溫度場—電磁場多場耦合的物理過程。此外，由于快速開關分閘時間要求小于8 ms，在瞬態沖擊載荷的作用下，斷路器傳動系統容易出現磨損、斷裂等機械故障。因此，滅弧室和傳動系統是快速開關設計的核心。

圖2 為滅弧室結構。快速開關在開斷短路電流時，部分電流能量被導入熱膨脹室（壓氣缸）而產生膨脹壓力，這種壓力在同一方向上與壓氣缸壓縮的氣體壓力疊加而實現音速吹弧，當噴口打開時，封閉氣缸內壓力釋放而實現冷熱氣體交換，使電流在過零點時熄滅，同時電弧在氣缸內產生的壓力也幫助驅動機構執行分閘操作，所以大大減少了分閘操作。

圖2 快速開關自能式滅弧室結構

快速開關傳動系統采用快速渦流驅動機構與碟簧液壓機構相結合的驅動技術。快速渦流驅動機構代替常規的分閘電磁鐵，其部件主要由絕緣拉桿、渦流盤、線圈等組成，運動部分的質量只有普通斷路器的1/10 左右，為斷路器的提速創造了條件。采用電容儲能、渦流驅動，大大提高了驅動力。同時減掉了傳動、轉動等易降低動作速度的中間環節[8-9]。

圖3 是快速開關操動機構的工作原理示意，圖中為合閘位置。分閘過程如下：給分閘命令，快速渦流驅動機構分閘線圈得電，產生強度很高的脈沖電流并伴隨著一個脈沖磁場，渦流盤在脈沖磁場的作用下感生渦流。脈沖磁場與渦流磁場之間的排斥力推動渦流盤帶動分閘先導閥的閥芯運動，打開先導閥閥口，控制腔油路與低壓油相通，主閥最右端的控制腔卸壓。在面積差的作用下，主閥的閥芯向右運動，工作缸左腔與低壓油箱連通，同理，在面積差的作用下，工作缸向左運動，帶動滅弧室運動部分完成分閘動作。

3 短路故障快速識別技術

圖3 快速開關操動機構的工作原理示意

短路故障快速識別是快速開關的一個至關重要的性能指標，一般采用基于電流量的檢測識別方法，如測到的電流量大于預先設定的門檻值，則認為故障發生。故障檢測識別方法要同時兼顧快速性和可靠性。信息量大則故障信號識別相對準確，然而為了有效限制故障電流，要求識別時間盡可能短。

目前繼電保護裝置一般采用方均根算法、快速傅里葉變換算法、最小二乘法進行故障檢測，一般需要先采集20 ms（最少10 ms）的數據，經過處理后再與設定值比較才能進行判斷，顯然不能滿足快速開關的應用需求。目前常見的快速檢測方法包括電流瞬時值、斜率、曲率、定積分、三相電流平方和等。快速開關保護采用電流瞬時值過流和電流差分算法相結合的故障檢測方法[10-13]。電流瞬時值過流方法是對電流實時采樣點進行判斷，當采樣點絕對值大于定值時經延時確認后動作。采用電流差分算法根據電流三點采樣值差分計算短路電流幅值，計算得到的短路電流幅值越限經延時確認后動作。

4 快速開關的動作時序及控制策略分析

要實現柔性短路電流抑制，快速開關和常規斷路器的配合時序十分重要。斷路器開斷過程可分為兩個階段，一是從接到分閘命令到觸頭機械分離的階段，該階段時間（機械分閘時間）為tOpen；二是從觸頭分離時刻到電弧過零熄滅的燃弧階段，該階段時間（燃弧時間）為tArc。快速開關應在常規斷路器觸頭分離時刻前完成開斷，從而限制常規斷路器的開斷電流[1]。從故障發生到快速開關開斷的時間包括繼電保護動作時間tRelay1和快速開關開斷時間tBreak1。其中開斷時間tBreak1包括機械分閘時間tOpen1和快速開關的燃弧時間tArc1。從故障發生到常規斷路器觸頭分離的時間tSeparation包括繼電保護動作時間tRelay2和斷路器機械分閘時間tOpen2。要滿足對短路電流的限制，需要滿足：

保持現有系統繼電保護動作時間和斷路器分閘時間不變，縮短快速開關的繼電保護動作時間和開關開斷時間，快速開關在常規斷路器觸頭分離前完成系統拓撲結構調整，實現柔性短路電流抑制。

5 快速開關配置方案

以天一變為例，從開斷母分快速開關后，母線Ⅰ段，母線Ⅱ段分別由兩個獨立供區供電，斷開母分開關后，兩系統解耦，母線短路電流下降明顯，其電流路徑如圖4 所示。

圖4 天一變220 kV 母線故障，母分快速開關開斷后的短路電流路徑

從開斷母聯快速開關后，天一變正母，副母間通過220 kV 系統耦合，僅斷開母聯斷路器，電源仍可通過耦合的220 kV 系統向故障母線提供短路電流，其等值電路如圖5 和圖6 所示。故障母線上220 kV 線路新增短路電流由另一側無故障母線的500 kV 電源供給，此時220 kV 非故障母線的電壓將被故障點拉低至零電壓左右。因此僅斷開母聯斷路器，對短路電流的抑制效果不明顯。

從上述快速開關動作模式的效果對比可見，在當前系統運行方式下，通過斷開母分快速開關，可以顯著抑制天一變220 kV 母線的短路電流。而通過斷開母聯斷路器的模式，由于其并未切斷電源點向故障點的短路電流通路，對短路電流的抑制效果不明顯。因此天一變短路電流抑制工程將快速開關安裝在正母分段開關的位置。

圖5 正母故障，母聯斷路器開斷后的非故障母線短路電流饋入情況

圖6 副母故障，母聯斷路器開斷后的非故障母線短路電流饋入情況

6 快速開關性能驗證

6.1 系統方式

天一變220 kV 母線Ⅱ段對外聯系較為薄弱，若故障期間事故擴大化導致天一變220 kVⅡ母線全部失電，將導致下應、桑田全停，因此人工短路點安排在天一變220 kVⅠ段出線上。考慮到空充線路和合環線路上人工短路試驗保護的動作效果相同，為降低人工短路的影響、防止事故擴大化，并防止線路對側變電站動作對試驗造成的影響，選擇在天一變220 kVⅠ段空充天惠線上實施人工短路。天惠線和天明線為同桿并架線路，為防止試驗期間天明線故障，在試驗期間拉停天明線。

為保證試驗期間的運行可靠性與安全性，安排將天一變220 kV 正母Ⅰ段上的非試驗線路全部倒排至副母Ⅰ段，220 kV 正母Ⅰ段上僅安排天惠線，并將220 kV 正母Ⅱ段上的3 號主變倒排至220 kV 副母Ⅱ段，系統運行方式如圖7 所示。同時為驗證快速開關對短路電流的抑制效果，拉停220 kV 副母母分斷路器，只要快速開關動作，即可以實現天一變220 kVⅠ段與Ⅱ段母線的解列運行。

圖7 天一變220 kV 系統運行方式

6.2 試驗數據

6.2.1 短路電流數據

天惠線發生單相人工短路后，天惠線電壓、天惠線電流、1 號母聯電流和正母分段電流（快速開關）在120 ms 內的波形見圖8 所示，短路電流數據見表1。

圖8 短路電流、電壓波形

表1 短路電流數據

由圖8 可知，短路發生在天惠線電壓最大時刻，暫態過程中短路電流非周期分量較小，初始值2 kA 左右，考慮到非周期分量的衰減，電流值以全電流的有效值計算。

從短路電流波形可以看到，故障發生到快速斷路器開斷的時間為20.1 ms，故障發生到常規開關開斷的時間為60.2 ms。短路過程分為兩個階段，第一階段是正母分段快速開關開斷前，持續時間20.1 ms，第二階段是正母分段快速開關開斷后，持續時間40.1 ms。短路過程第一階段，天惠線短路電流有效值30.8 kA，快速開關短路電流有效值11.3 kA，1 號母聯有效值20.3 kA；短路過程第二階段，天惠線短路電流有效值24.2 kA，快速開關短路電流0，1 號母聯短路電流有效值24.2 kA，此時流過天惠線開關的短路電流等于流過1 號母聯的短路電流。快速開關20.1 ms內實現系統解列，天惠線短路電流由30.8 kA 降為24.2 kA。

短路電流抑制效果可由短路電流抑制系數體現，計算公式為：

式中：μ 為短路電流抑制系數；Ikuai為快速開關開斷前流過快速開關的短路電流；Iline為快速開關開斷前故障線路的短路電流。計算得到短路電流抑制系數為36.7%，該系數主要取決于系統運行方式。

6.2.2 動作時序數據

天惠線發生單相人工短路后，快速開關行程及保護動作情況見圖9 所示。其中t1為短路發生時刻，t2為快速開關觸頭開始動作時刻，t3為天惠線斷路器保護出口時刻，t4為快速開關短路電流熄弧時刻，t5為快速開關分閘到位時刻，t6為天惠線斷路器觸頭開始動作時刻，t7為天惠線斷路器短路電流熄弧時刻，t8為天惠線斷路器分閘到位時刻。

計算保護動作時間、快速開關啟動時間、開關觸頭開始運動至熄弧時間和開關觸頭開始運動至分閘到位燃弧時間，結果見表2。tRelay為保護動作的時間，tStart為開關接到分閘命令到開關觸頭開始運動的時間，TMovement-Arc為開關觸頭開始運動到最終熄弧的時間。

正母分段開關（快速開關）繼電保護動作時間tRelay1為2.2 ms，天惠線繼電保護動作時間tRelay2為10 ms，正母分段開關（快速開關）保護動作時間較天惠線保護動作時間縮短了78%。正母分段開關（快速開關）啟動時間tStart1為4.5 ms，天惠線開關啟動時間tStart2為22.9 ms，啟動時間縮短80.3%。

圖9 快速開關動作時序

表2 快速開關動作時序數據

結合正母分段快速開關固有分閘時間tOpen17.8 ms 和天惠線開關固有分閘時間tOpen235.1 ms，可以通過式（3）計算得到正母分段快速開關和天惠線斷路器的燃弧時間，分別為10.1 ms 和16.8 ms，正母分段快速開關燃弧時間較天惠線斷路器縮短39.9%。式中tArc為開關的燃弧時間，tStart為開關收到動作命令到開關觸頭開始運動的時間，TMovement-Arc為開關觸頭開始運動到熄弧的時間，tOpen為開關的固有分閘時間，即：

從故障發生到快速開關開斷的時間為20.1 ms，即tRelay1+tOpen1+tArc1=20.1 ms。從故障發生到常規斷路器觸頭分離的時間tSeparation，由式（4）計算得到45.1 ms，遠滿足式（1）的要求。

7 結論

（1）在柔性短路電流抑制技術基本原理、快速開關基本工作原理和短路故障快速識別技術的基礎上，提出了500 kV 天一變快速開關配置方案，該配置方案可有效降低短路電流，提升500 kV天一變的運行可靠性。

（2）單相人工短路接地試驗表明，快速開關20.1 ms 內實現系統解列，線路短路電流下降明顯，短路電流抑制為36.7%，有效降低了短路電流水平。快速開關20.1 ms 開斷短路電流，常規斷路器60.2 ms 開斷短路電流，時間縮短40.1 ms。

（3）快速開關采用電流瞬時值過流和電流差分算法，保護動作時間2.2 ms，明顯快于常規繼電保護10.0 ms 的保護動作時間。快速開關采用快速渦流驅動機構與碟簧液壓機構相結合的驅動技術，快速開關啟動時間4.5 ms，明顯快于常規開關22.9 ms 的啟動時間。快速開關采用自能式滅弧室，燃弧時間10.1 ms，快于常規斷路器16.8 ms 的燃弧時間。結果表明快速開關的各項性能指標均優于常規斷路器。

（4）展望未來，220 kV SF6快速開關的工程應用為有效開展短路電流抑制提供了重要參考，同時也為研制550 kV SF6高速開斷斷路器（額定短路電流63 kA，全開斷時間≤25 ms）打下了基礎。研制550 kV SF6高速開斷斷路器需要進一步開展高速開斷用操動機構關鍵技術研究和高速開斷滅弧室關鍵技術研究。