110 kV GIS型零损耗深度限流装置设计与实现

李新海，孟晨旭，曾令诚，曾庆祝，肖星，梁景明，曾新雄

(广东电网有限责任公司中山供电局，广东 中山 528400)

随着电网的发展，电网装机容量的快速增加使得电网短路电流大幅升高，很多地区已经或将要出现超出现有断路器的遮断容量或选取不到所需的大遮断容量断路器的情况。当短路电流超过断路器的最大遮断容量时，在断路器开断短路电流的过程中，可能会因灭弧室无法灭弧，导致爆炸、短路、越级跳闸事件发生[1-2]；同时，超标的短路电流冲击变压器设备，将引起绕组发热、变形、绝缘击穿、短路、甚至损坏变压器等严重后果[3-4]，从而影响供电可靠性。

为解决上述短路电流超标引发的问题，以往主要采取了以下限流措施：①将原电压等级的网络进行分层分区，可有效减小短路电流；但其缺点是改变系统网络拓扑，牺牲系统可靠性[5]。②将变电站母线分列运行，使系统阻抗增大，从而减小短路电流；但其改变了系统电气的连接性，不利于系统稳定运行，降低了可靠性[6]。③采用高阻抗变压器或发电机，可减小系统短路电流；但会使发电机自身产生相位差而不利于系统运行[7]。④投入串联电抗器可使系统短路电流变小；但其限流深度不够，且使电力系统线路及设备损耗增大，并带来压降问题[8-9]。

以上措施是以牺牲电网的安全性、可靠性和经济性为代价的，且并未最终解决限流深度的问题。针对限流深度的问题，许多科研机构开展了深度限流技术的研究：①新型桥路高温超导故障限流器[10-11]利用桥路控制变压器型超导限流器限制短路电流，系统在正常运行时，副边处于短接超导状态，变压器原边串接在限流电路中；因此，系统正常运行时存在电压降和功率损耗，且其存在系统复杂、维护困难、占地面积大、失超恢复慢的缺点，未得到推广应用。②磁控开关型故障限流器[12]是根据控制变压器铁心在深度饱和时交流线圈呈低阻抗状态、在非饱和状态运行时交流线圈呈高阻抗特性的原理设计而成；因此，串接在限流电路中的交流线圈存在电压降及功率损耗的缺点，且该限流器还处于试验样品阶段。③电力电子型断路器虽然能满足大电流投切、反应速度快等技术参数，但其应用受制于其本身容量、造价等参数影响[13-15]，常运用于直流输电系统中，不适用于限流器的开断。因此研发一种日常运行零损耗、能深度限制短路电流、能大规模推广应用的限流装置是十分必要的[16]。

本文针对现阶段限流电抗器限流深度不足、占地面积大、设备损耗大的缺点，提出并研发了一种110 kV GIS型零损耗深度限流装置，该装置采用气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated metal-enclosed switchgear，GIS)一体化设计，在正常运行时“零损耗、零压降”，故障时快速智能深度限流，有效地解决了电网系统现有其他限流措施存在的问题。

1 110 kV GIS型零损耗深度限流装置系统结构与功能设计

1.1 系统结构设计

110 kV GIS型零损耗深度限流装置由控制系统、限流单元和工作电源组成，系统结构设计如图1所示。

a)控制系统：包括监控子站、中继控制器和三相分相控制器，其中监控子站安装在中控柜中，中继控制器安装在汇控箱中，分相控制器安装在GIS型零损耗深度限流装置的分相机构箱内。监控子站通过光纤与中继控制器通信，中继控制器通过光纤与各分相控制器通信。监控子站可采集、显示各相限流单元的快速真空断路器状态信息并可维护定值，通过中控柜给变电站公用测控装置提供数据接口和信号硬接点，将限流装置的运行状态信息、装置动作及故障告警信息上送至变电站后台监控机和调度监控系统。分相控制器采用相控技术，控制各相限流单元投退限流电抗器，见图1。

图1 110 kV GIS型零损耗深度限流装置系统结构Fig.1 System structure of 110 kV GIS typed zero loss depth current limiting device

b)限流单元：由快速真空断路器、限流电抗器、罗克电流互感器(current transformer，CT)、返回CT、分相控制器组成。分相控制器通过返回CT采集正常电流，通过罗克CT采集短路电流，判断限流单元保护范围内是否存在短路故障。快速真空断路器与深度限流电抗器并联后串联在需要限流的回路中，分相控制器通过控制快速真空断路器分合即可控制限流电抗器投退，在短路故障时将系统短路电流限制在设计值内。限流单元结构设计如图2所示。

图2 限流单元结构Fig.2 Structure of current limiting cell

c)工作电源：由控制电源和储能电源组成。其中控制电源采用站用直流电源系统DC 220 V/DC 110 V不间断供电。储能电源采用站用交流电源系统AC 220 V供电，通过隔离变压器升至1 kV，给快速真空断路器分合闸储能电容充电。

1.2 功能设计

110 kV GIS型零损耗深度限流装置适用于110 kV及以下电压等级限流，其控制逻辑如图3所示，实现以下主要功能：

a)正常运行时，限流装置快速真空断路器合闸，将限流电抗器短接，该装置阻抗为零，在“零压降、零损耗”状态下运行；

b)限流装置负荷侧发生需要限流的短路故障时，故障后20 ms内该装置的快速真空断路器分闸，投入限流电抗器，该装置由零阻抗切换为高阻抗，将系统短路故障电流限制在设备允许的安全范围内；

c)当限流装置负荷侧短路故障切除后，35 ms内限流装置的快速真空断路器合闸，将限流电抗器短接，该装置由高阻抗切换为零阻抗，自动恢复正常运行状态。

图3 限流单元控制动作流程Fig.3 Control action flowchart of current limiting cell

2 110 kV GIS型零损耗深度限流装置关键技术

2.1 一体化设计的GIS结构技术

110 kV GIS型零损耗深度限流装置采用一体化设计的GIS结构技术，将快速真空断路器、限流电抗器、屏蔽罩、导电杆、CT、套管及电缆终端等元件组合安装在GIS罐体内，形成SF6GIS，其结构如图4所示。装置主要技术参数见表1。

图4 110 kV GIS型零损耗深度限流装置GIS结构Fig.4 GIS structure of 110 kV GIS typed zero loss depth current limiter

126 kV1 250 A50 HZ(3 s)1 min230 kV550 kV20 kA>100>10 000<5 ms-0.2～0.2 ms<20 ms-0.5～0.5 ms

110 kV GIS型零损耗深度限流装置采用GIS结构设计的主要优点为：

a)结构紧凑，占地面积约11 m2，重量约12 t，对地基载荷要求小。

b)快速真空断路器操动机构为电磁斥力机构，无油压或气压驱动系统，运行可靠性高，且其分闸时间小于5 ms，远小于国内厂家(新东北、北京北开、山东泰开、日新电机、山东鲁能)GIS断路器17～36 ms的分闸时间，可满足快速投入限流电抗器的要求。

c)采用整间隔运输，安装工作量小，周期短，安装费用低。

d)所有导电件、绝缘件均被密封在金属壳体内，不受外界环境的干扰和侵蚀，性能稳定，寿命长，检修维护工作量小。

e)高度约4.6 m，重心低，抗震性能好。

f)环境适应性强，适用于恶劣环境条件(如严重污秽、高海拔、多水雾、冰雹等)。

2.2 基于电磁斥力驱动的快速真空断路器技术

快速真空断路器由真空灭弧室和电磁斥力机构组成，其中真空灭弧室包括瓷套、静触头、动触头、上拉杆、波纹管等部件；电磁斥力[17]机构包括充电电源、分/合闸储能电容、分/合闸线圈、涡流盘、分/合闸保持永磁铁、衔铁、下拉杆、拉杆绝缘子等部件。具体结构如图5所示。

图5 快速真空断路器结构Fig.5 Structure of quick vacuum circuit breaker

快速真空断路器上电后充电电源向分/合闸储能电容充电。分合闸控制采用晶闸管控制技术，在其接到断路器分合闸命令后立即触发晶闸管导通，使储能电容对分/合闸线圈放电，产生极短时间的脉冲电流，分/合闸线圈磁通在涡流盘感应产生涡流，在电磁斥力的作用下涡流盘通过拉杆带动断路器动触头完成分/合闸动作，通过分/合闸保持永磁铁吸合衔铁将断路器保持在分/合闸位置。涡流盘作用力方向与动触头运动方向同轴，无拐臂杠杆，驱动系统结构简单稳定，动能传递损耗小。

快速真空断路器分闸时间小于5 ms，分闸时间分散度绝对值小于0.2 ms，额定开断短路电流为20 kA，额定短路电流开断次数大于100次，机械寿命大于10 000次，具有开断速度快、开断能力强、机械寿命长、动作分散度小的优点。

快速真空断路器与限流电抗器配合使用，可在故障后20 ms内将断路器分闸，投入限流电抗器，深度限制系统短路故障电流。

快速真空断路器各分相控制器设计配置了4套分/合闸储能电容且保持储能冗余度，在发生间隔时间较短的多次故障时，可配合线路保护及重合闸装置完成无限次连续分/合闸动作。

2.3 “零前分闸”相控技术

对于真空断路器分闸，其触头刚分时在工频电流自然过零熄弧的同时会产生恢复电压，该电压超过触头间的介质绝缘恢复电压时将发生电弧重燃，产生高频电流，该高频电流过零熄弧的同时会再次产生恢复电压，该电压超过触头间的介质绝缘恢复电压时将再次发生电弧重燃，如此重复多次，振荡过程越来越强，重燃多次后过电压可达极高幅值。随着触头间距增大直到真正完成切断，分闸重燃过电压过高会造成设备绝缘破坏。

对于真空断路器合闸，在触头相互接近的过程中会发生电弧多次重燃后熄灭，直到两触头完全闭合为止。闭合过程中随着触头间隙变小，极间耐压下降，过电压会被抑制；因此，合闸过电压一般为电源电压的1倍，在设备绝缘强度设计范围内可承受。

快速真空断路器采用了“零前分闸”相控技术，可有效地提高电流过零时刻灭弧室绝缘恢复水平，提升其开断容量。

“零前分闸”相控技术是基于短路电流快速识别技术、预测电流过零时刻技术及准确相控技术实现的[18-19]。利用最小二乘法算法[20-24]，装置采样电流并计算其瞬时值与变化率，快速甄别短路电流，确定短路电流的过零点[25]，结合断路器分闸固有时间，在短路电流过零前发出分相分闸命令，精确控制对应相别断路器在短路电流过零前分闸，使开关电流过零前的电弧燃烧量最小；同时快速真空断路器分闸因速度快，在电流过零前可拉开更大的开距，防止电流过零后断路器断口被瞬态恢复电压击穿重燃，提升了快速真空断路器的开断容量。

快速真空断路器在电流过零前分闸截流电弧燃烧量越小、在过零时刻开距越大，灭弧室绝缘恢复水平越高。在断路器分闸速度固定的情况下，应取其平衡点确定分闸命令最佳发出时刻，保证断路器过零后不重燃。

快速真空断路器分闸时间分散度绝对值小于0.2 ms，一致性好，机械性能稳定，可满足“零前分闸”相控技术选型要求。

2.4 限流电抗器的电抗值计算

装置的限流电抗器属于短时工作方式，仅在短路故障发生时才投入，限流电抗器的阻抗值可以根据限流深度的需要进行设计选型。

已知系统电压为U，系统阻抗为X0，当系统发生短路故障时短路电流IK=U/X0。安装本深度限流装置后，假设将短路电流限制到IK1，设限流电抗器的电抗值为X，当系统发生短路故障时IK1=U/(X0+X)，由此可求出限流电抗器的电抗值X。

2.5 故障录波分析技术

监控子站设计有故障录波功能，故障录波数据为标准COMTRADE格式，可在装置动作后记录装置动作、开关变位、电抗器投退、交流电流采样等开关量和电气量数据变化情况。故障录波数据可导入计算分析软件MATLAB中，对故障波形数据进行进一步的计算分析，评价限流装置是否正确动作。如果限流装置不正确动作，则将故障录波电气量数据导入支持标准COMTRADE格式的继保仪，对故障波形进行重现，再次输入到控制器中，以配合分析测试。

3 110 kV GIS型零损耗深度限流装置技术应用实例

本文研发的110 kV GIS型零损耗深度限流装置成功安装应用于220 kV小榄变电站(以下简称“站”)110 kV小山线线路侧，该装置可以智能、快速、深度地将110 kV小山线供电的110 kV龙山站、永宁站10 kV母线短路电流限制在10 kV开关额定遮断容量的90%范围内，确保了10 kV设备安全可靠运行和运行人员的人身安全。

3.1 实施背景

220 kV小榄站110 kV小山线供电2台110 kV主变压器(以下简称“主变”)，分别为110 kV龙山站2号主变和110 kV永宁站3号主变，主接线如图6所示。

随着系统容量增大，上述2台主变与相邻主变的10 kV侧并列运行时，10 kV母线短路电流超标的情况比较严重，大于龙山站、永宁站10 kV开关额定遮断电流(见表2)，导致10 kV母线不能长期并列运行，或10 kV母线短时不停电并列转供电操作存在较高的设备风险，降低了10 kV用户供电可靠性。

表2 10 kV母线短路电流超标统计表Tab.2 Statistics of excessive short circuit current of 10 kV bus

注：10 kV馈线开关额定遮断电流为31.5 kA。

图6 110 kV小山线主接线图Fig.6 Main wiring diagram of 110 kV Xiaoshan line

3.2 限流方案

受空间限制，110 kV龙山站、永宁站主变10 kV侧不能加转固定限流电抗器或零损耗深度限流装置，因此设计在220 kV小榄站110 kV小山线线路侧解口串入110 kV GIS型零损耗深度限流装置(如图7所示)，将110 kV龙山站、永宁站10 kV母线最大短路电流限制在10 kV断路器额定遮断电流31.5 kA的90%以下，即限后电流为28.35 kA。按第2.4节内容计算得知限流电抗器的阻抗值为22.85 Ω。

图7 110 kV GIS型零损耗深度限流装置安装接线图Fig.7 Wiring installation diagram of 110 kV GIS typed zero loss depth current limiting device

因110 kV GIS型零损耗深度限流装置安装于110 kV小山线线路侧，该装置将承受110 kV龙山站、永宁站110 kV侧和10 kV侧短路故障的短路电流。由于110 kV侧短路电流不超标，所以要求零损耗深度限流装置仅在110 kV龙山站、永宁站10 kV侧短路电流超标时可靠动作，其余短路故障均可靠不动作。

3.3 应用情况

上述110 kV GIS型零损耗深度限流装置于2016年12月投入运行，装置运行情况稳定。投运至今110 kV龙山站、永宁站10 kV侧及110 kV小山线分别发生多次短路故障，限流装置均按设计目标可靠响应。

4 结束语

本文对电力系统短路电流超标带来的危害进行了分析，设计了新型的110 kV GIS型零损耗深度限流装置，该装置正常情况下按“零损耗、零压降”运行，短路电流超标时20 ms内投入限流电抗器，按设计值深度限制短路电流，有效降低了短路电流对变压器、断路器等设备的冲击。

该装置具备快速响应、节能、占地面积小、可靠性高、易实施、运行维护方便的优点，适用于110 kV及以下电压等级零损耗深度限流的应用，对系统节能降耗、提高电压质量、降低电网和设备风险的技术发展有着积极推动作用。