基于ATP-EMTP 的高壓快速開關應用仿真分析

史玉濤 王婷 彭鵬 李佳其

（國網甘肅省電力公司電力科學研究院 甘肅蘭州 730070）

0 引言

近年來，隨著甘肅電網進一步發展，電網短路電流水平大幅提高，部分變電站短路電流水平已接近或超過斷路器的遮斷容量。如果發生斷路器不能滅弧引起爆炸，輕則造成母線短路致使變電站失壓，重則導致系統性事故引發大面積停電［1-2］。系統短路電流超標問題已成為制約甘肅電網安全穩定運行和發展的主要因素之一。

傳統限制故障短路電流的措施有：優化電網結構，電網解環運行，更換大容量設備，母線分列運行以及使用故障限流器等［3-5］。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［6］。

快速開關具有快速分閘特性，可以在故障期間快速動態改變系統拓撲結構，切除故障后迅速閉合，從而減小對電網穩定運行的影響。近年來，國內研究人員率先對采用快速開關限制短路電流進行了相關研究。研究的焦點主要集中于快速開關基本原理［7］，電磁斥力快速驅動機構［8-9］，快速短路故障識別技術［10］，基于快速開關的串聯諧振型故障限流器應用仿真［11-14］以及應用快速開關提升電能質量等方面［15］。

本文基于甘肅電網某330 kV 變電站運行構架，建立了基于電磁暫態分析軟件ATP-EMTP 的短路電流計算分析模型，計算分析了變電站內不同關鍵節點應用快速開關的限流效果及饋線電壓波動情況，研究結果對快速開關的工程應用具有較好的指導意義。

1 快速開關工作原理

快速開關是指能夠在1 個周期內實現分閘切除故障的斷路器，其動作速度更快，能夠實現“首波開斷”。目前已研制的高壓快速開關通常采用快速渦流驅動技術。基于渦流驅動的高壓快速開關的操動機構電氣原理如圖1 所示，其中儲能機構采用電容儲能，為操動機構提供能量支撐。

圖1 渦流驅動機構電氣原理圖

快速渦流操動機構的工作原理：對操動機構投入工作電源后，充電電源首先對儲能電容進行充電。當需要合閘時，合閘控制開關接收指令接通，儲能電容向合閘線圈回路釋放能量，放電過程中會產生高強度的脈沖電流并在線圈上形成脈沖磁場，渦流盤在脈沖磁場作用下產生感應渦流，脈沖磁場和渦流磁場之間的電磁斥力推動金屬盤運動，帶動動觸頭完成合閘。合閘之后由永磁機構保持開關狀態。當需要分閘時，分閘控制開關接通，分閘線圈得電，渦流盤在電磁斥力作用下帶動動觸頭完成分閘動作［7］。

目前，常規開關繼保出口時間通常為20～30 ms，斷路器分閘時間約為20 ms，燃弧時間為15～20 ms，所以常規開關完整的開斷時間為60 ms 或者更久。快速開關采用快速故障診斷技術，10 ms 內即可完成故障診斷并下達分閘命令，10～15 ms 內即可完成動靜觸頭分離和滅弧，因此快速開關在25 ms 之內能夠完成故障切除［16］。

2 快速開關限制短路電流的機理概述

電力系統短路故障分為對稱短路故障和非對稱短路故障2 類，其中最為典型的是單相接地故障和三相短路故障。當系統發生短路故障時，系統內流過的電流急劇增長，通常為運行電流的幾十甚至幾百倍，短路電流越大，運行時間越長，對系統一、二次設備傷害越嚴重［17］。

故障短路電流的持續時間與系統中開關的開斷時間息息相關［15］。變電站關鍵節點處應用快速開關，在系統發生短路故障時，快速開關快速分閘，切斷其中一部分電源對故障點短路電流的供給，從而減小短路電流，使短路電流值小于開關遮斷容量，確保相關開關能夠順利滅弧，消除故障電流。當故障電流消除后，快速開關合閘，系統恢復正常運行。

3 仿真分析

3.1 ATP-EMTP 仿真模型

以甘肅電網某330 kV 變電站網絡拓撲結構為例，變電站采用雙母線分段接線方式。在ATP-EMTP 軟件中建立暫態分析仿真模型（見圖2），該模型主要由以下5 部分組成。

圖2 ATP-EMTP 仿真模型圖

（1）電網：330 kV 線路側電網采用三相理想電源進行等效，電源1 和電源2 相同，相電壓峰值為

（2）330 kV 輸電線路：仿真分析時輸電線路采用Bergeron模型，電源1 對應線路長度為23.8 km，電源2 對應線路長度為4.67 km。線路架設雙避雷線，桿塔接地電阻為5 Ω。

（3）變壓器模型：變壓器模型采用Y-Y 連接三相飽和變壓器（#Sat.Y/Y 3-leg）模型，變壓器容量為360 MVA，高壓側額定電壓電壓為345 kV，低壓側額定電壓為121 kV，勵磁損耗和短路損耗均采用實際變壓器名牌參數。

（4）110 kV 輸電線路：負荷側共有8 條出線，其中每2 條出線接入同一變電站，線路長度分別為：10.1 km、8.82 km、25.94 km 和8.57 km。

（5）用戶負載：使用三相對稱Y 接電阻進行等效，等效電阻為200 Ω。

3.2 仿真結果分析

在系統中設置0.1 s 發生母線三相短路接地故障，仿真系統未應用快速開關，母線分段開關KF1，2、母聯開關KC1，2和變壓器低壓側出線開關Kr1，23 個關鍵節點分別應用快速開關4 種不同情況下系統短路電流的變化情況，仿真結果如下。

（1）當系統未應用任何限流措施時，系統三相短路電流情況如圖3 所示，其中方框-實線為A 相電流，圓-實線為B 相電流，三角-實線為C 相電流。根據仿真圖可以看出，當接地短路發生后，A 相短路電流最大峰值為-51.15 kA，B 相為42.46 kA，C 相為37.77 kA。經過180 ms 左右，三相短路電流達到穩定且相近，穩態峰值為28.29 kA。

圖3 系統未應用任何限流措施下三相短路電流波形

（2）當在母線分段處應用快速開關KF時，快速開關分閘時間設置為20 ms，仿真得到的母線故障點短路電流波形如圖4所示，出線2 電壓波動如圖5 所示。由仿真波形可以看出，故障發生前20 ms，快速開關未動作，因此短路電流波形與圖3相同，當快速開關打開后，三相短路電流波形相比于未采取限流措施時有明顯的變化。此時變電站運行方式變為母線分列運行，故障點短路電流僅由主變2 提供。達到穩定后三相短路電流峰值為15.47 kA，相對減少了45.3%。由圖5 可知，當故障發生后，母線失壓，出線電壓降為0，隨著快速開關分閘，出線2恢復供電，整體電壓波動時間約30 ms。

圖4 母線分段處應用快速開關時三相短路電流波形

圖5 母線分段處應用快速開關時出線2 電壓波形

（3）當在母聯處應用快速開關KC時，仿真得到的母線故障點短路電流波形如圖6 所示，出線2 電壓波形如圖7 所示。由仿真波形可以看出，此時在快速開關限流作用下，三相短路電流有大幅度降低，此時短路電流主變1 提供，電流峰值為13.87 kA，相對減少了50.97%。根據圖7，母聯開關應用快速開關對供電可靠性影響與分段開關相同，電壓波動時間約為30 ms。

圖6 母聯處應用快速開關時三相短路電流波形

圖7 母聯處應用快速開關時出線2 電壓波形

（4）當在主變低壓側出線處應用快速開關，母線Ⅳ發生三相短路故障，可以跳開開關KR2，或開關KR1。以上2 種情況，母線短路電流限制情況與快速開關應用于分段開關或母聯開關相同。當KR1 和KR2 同時分閘時，故障點短路電流情況如圖8所示，此時2 臺主變均空載運行，停止向母線供電，母線失壓，出線側供電可靠性存在影響。

圖8 主變出線側開關動作時三相短路電流波形

4 結論

（1）高壓變電站應用快速開關替代常規開關，能夠顯著降低故障電流水平，限流效果顯著，同時能夠較少故障電壓波動時間，對用戶供電可靠性和安全性提供了有力保障。

（2）在母線分段處和母聯處分別應用快速開關，分別能夠將故障電流峰值相對減少45.3%和50.97%，同時非故障母線側出線電壓波動持續時間僅為30 ms，能夠有效減小短路電流對系統的沖擊并保障用戶用電的可靠性。而在主變低壓側出線應用快速開關可能造成出線側母線全部失壓，對用戶供電可靠性存在影響，因此在實際變電站建造過程中不建議在主變低壓側出線應用快速開關。