10 kV零损耗深度限流装置技术研究

范德和，李新海，肖星，孟晨旭，周恒，曾令诚，林蔚，梁景明

(广东电网有限责任公司中山供电局，广东 中山 528400)

随着社会经济发展，我国电网系统规模不断扩大，电网系统容量也持续增长，电网系统短路电流超过断路器额定遮断容量的问题日趋严峻[1-3]。当变电站10 kV母线短路电流超标时，10 kV馈线断路器开断超标的短路电流将可能引发断路器爆炸、电气设备损坏、上级主变压器(简称“主变”)低压侧后备保护越级跳闸、10 kV母线失压等电力安全事件，造成重大的经济损失和不良的社会影响[2-5]。

目前电网系统变电站普遍采用在变压器10 kV侧串联常规限流电抗器或高阻抗变压器的方法限制10 kV母线短路电流；受制于电抗器的电压损失不能大于5%母线额定电压的设计规范要求，在10 kV母线短路电流超标时，上述方法仍存在系统压降、电能损耗增加和限流深度不足等问题[6-10]。为此，文献[11]从电力系统运行方式角度出发，提出分区运行方式，增大系统运行阻抗从而减小短路电路，但在实际中由于设备检修的需要，不得不面对主变及母线并列运行的电网运行方式。文献[12]提出采用“爆炸式”高速开关并联电抗器的方案，但每次发生短路故障、装置动作后，载流桥体和熔断器无法自动恢复，需要设备停电重新更换，增加了设备维护工作量和运行成本。文献[13-15]介绍了一种新型桥路高温超导故障限流器，但此限流器超导材料昂贵，技术复杂，投资成本较高且可靠性仍需考证。

针对上述问题，本文从技术可行性与经济性等方面综合考虑，研究了一种快速、可靠动作的10 kV零损耗深度限流装置技术[16]。在系统正常时，10 kV零损耗深度限流装置“零阻抗、零损耗、零压降”运行；在系统发生短路故障时，10 kV零损耗深度限流装置可智能、快速、深度地限制短路电流，保障了变电站10 kV断路器的安全可靠运行。文中在介绍了10 kV零损耗深度限流装置的安装接线及工作原理的基础上，详细阐述了10 kV零损耗深度限流装置关键技术，并通过220 kV同益变电站的实例运用，验证了该技术的有效性。

1 10 kV零损耗深度限流装置原理

1.1 10 kV零损耗深度限流装置安装接线

图1所示为常规限流电抗器安装接线方式，在变压器10 kV侧串联常规限流电抗器，增大系统阻抗而限制10 kV母线短路电流。正常运行时限流电抗器的投入运行，导致产生系统压降和功率损耗，增加了10 kV母线无功补偿投入成本以及运行成本。

图1 常规限流电抗器安装接线图

图2所示为10 kV零损耗深度限流装置安装接线方式，在变压器10 kV侧串联零损耗深度限流装置。正常运行时断路器处于合闸状态，短接限流电抗器，装置处于“零阻抗、零损耗、零压降”状况；10 kV母线近区短路故障时(d0位于限流装置的主变侧，故障d1位于限流装置的负荷侧)，断路器快速分闸，投入限流电抗器，将10 kV母线短路电流限制在10 kV断路器遮断容量范围内。

图2 10 kV零损耗深度限流装置安装接线图

1.2 10 kV零损耗深度限流装置工作原理

10 kV零损耗深度限流装置一次结构如图3所示。

图3 10 kV零损耗深度限流装置一次结构

该装置由快速断路器与限流电抗器并联组成，经L1、L2点串联在变压器10 kV侧与10 kV母线之间。其中快速断路器为基于涡流驱动技术的快速真空断路器，作为分相控制器的执行部件；而分相控制器则作为控制快速真空断路器分合的控制部件。该装置主要实现如下功能：

a)正常运行时，限流装置采样电流为负荷电流，其快速断路器合闸，将限流电抗器短接，限流装置阻抗为零，按“零损耗、零压降”状态运行；

b)限流装置负荷侧发生10 kV母线近区短路故障时，限流装置采样电流突变上升为短路电流，分相控制器快速识别故障并在故障发生后20 ms内将快速断路器分闸，投入限流电抗器，限流装置由零阻抗状态切换为高阻抗状态，按设计限流深度限制10 kV母线短路电流；

c)当10 kV保护动作切除10 kV母线近区短路故障后，限流装置采样电流突变下降为负荷电流，15 ms内限流装置快速断路器合闸，将限流电抗器短接，限流装置由高阻抗切换为零阻抗，自动恢复正常运行。

该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投入，故限流电抗器可按深度限流设计，根据不同应用场景的要求定制阻抗值。在系统最大运行方式下故障时投入电抗器达到深度限流，可有效地降低短路电流对变压器、断路器等设备的冲击，防止短路电流超过10 kV断路器的额定遮断容量。

2 10 kV零损耗深度限流装置关键技术

2.1 基于涡流驱动的快速真空断路器技术

快速真空断路器结构如图4所示，主要包括真空灭弧室和涡流驱动机构[17]2个部分。其中，真空灭弧室主要由静触头、动触头、上拉杆、波纹管及瓷套等组成。涡流驱动机构主要由拉杆绝缘子、下拉杆、合闸保持永磁铁、衔铁、分闸保持永磁铁、分闸线圈、涡流盘、合闸线圈、分闸储能电容、合闸储能电容及充电电源组成。

限流装置带电后充电电源向合(分)闸储能电容充电。当快速真空断路器接到控制器合(分)闸命令后，立即触发导通相应的可控硅，已充电的储能电容向合(分)闸线圈放电，产生一个持续时间很短的脉冲电流，处在脉冲磁场中的涡流盘因感应涡流而受到强大的推力，并通过拉杆带动真空灭弧室中的动触头完成合(分)闸动作，并由合(分)闸保持永磁铁吸合衔铁保持断路器在合(分)闸位置。

快速真空断路器具有开断速度快、动作时间分散度小、开断能力强、机械寿命长的优点[18]。其分闸时间不大于5 ms、分闸时间分散度小于±0.2 ms、额定开断短路电流为40 kA、最大开断电流不小于80 kA、额定短路电流下连续分断操作次数大于100，机械寿命(操作次数)大于10 000次。

图4 快速真空断路器结构

快速真空断路器各分相控制器配置了4套分、合闸储能电容，在分(合)快速真空断路器时，依次循环充电、放电，使其在10 kV线路短时间内发生多次故障时，可配合线路保护重合闸，投入限流电抗器，从而限制短路电流。

2.2 深度限流电抗器阻抗值计算

深度限流电抗器计算模型如图5所示，系统额定电压为Ue，系统阻抗为X0，安装的深度限流电抗器阻抗值为X1。

图5 深度限流电抗器计算模型

当系统d0处发生短路故障时，d0处短路电流

安装零损耗深度限流装置后，根据应用原则，将系统d1处短路电流限制到kId0(k为百分数)，则深度限流电抗器阻抗值

2.3 “零前分闸”相控技术

目前，变电站10 kV断路器普遍采用弹簧机构驱动的真空断路器，其分闸时间为20～30 ms[19-21]。当发生10 kV系统短路故障时，故障持续时间为保护装置动作出口时间与断路器分闸时间之和，其值至少在40 ms以上[22-23]，短路电流持续时间较长，增加了故障电流对设备冲击的不良影响。零损耗深度限流装置“零前分闸”相控技术可在故障电流达到装置动作定值后20 ms内，且在短路电流过零点时刻投入限流电抗器，将超标的短路电流限制在安全范围内。

零损耗深度限流装置“零前分闸”相控技术基于故障电流快速判断、过零点预测与分相控制技术，并结合涡流驱动的快速真空断路器技术[24-26]。零损耗深度限流装置分相控制器分闸控制流程如图6所示，装置通过采样实时电流值及电流变化率，利用数据拟合，可在3 ms内实现短路电流的快速判断，之后根据正弦基波特点预测短路电流的过零时刻，结合快速真空断路器固有分闸时间，在电流过零时刻前触发对应相别的分闸命令，触发导通相应的晶闸管，准确控制对应相别的快速真空断路器在短路电流过零前分闸。

图6 分闸控制流程图

零损耗深度限流装置检测到故障电流大于动作定值后20 ms内，可完成深度限流电抗器的投入，采用“零前分闸”相控技术确保在10 kV故障线路断路器分闸之前将超标的短路电流限制在10 kV断路器额定遮断电流以下，同时也减少了短路电流对其他运行设备的持续冲击，保障了设备安全。

3 应用实例

本文提出的10 kV零损耗深度限流装置技术已成功安装应用于广东省中山供电局220 kV同益变电站(以下简称“同益站”)3台变压器的10 kV侧，将超标的10 kV母线短路电流限制在10 kV断路器额定遮断电流31.5 kA以下，保障了系统、设备的安全稳定运行。

3.1 变电站实施前概况

同益站一次接线如图7所示，主变容量为3×240 MV·A，3台主变10 kV侧已安装了电抗率为10%(对应电抗值为0.144 Ω)、额定电流为4 kA的常规限流电抗器。

图7 同益站一次接线图

同益站主变10 kV母线短路电流数据见表1，当2台或者3台主变并列运行时，10 kV母线短路电流将大于10 kV馈线断路器额定遮断电流，系统中原配置的主变10 kV侧串联电抗器限流深度不满足主变并列运行的要求，同益站3台主变需分列运行，降低了10 kV系统供电可靠性。

表1 同益站10 kV母线短路电流数据

注：10 kV馈线断路器额定遮断电流为31.5 kA。

3.2 阻抗值计算

同益站10 kV零损耗深度限流装置一次安装接线如图8所示，深度限流装置串联安装在主变10 kV侧与10 kV母线之间。

图8 同益站10 kV零损耗深度限流装置一次安装接线图

由表1可知，同益站3台主变并列时10 kV母线短路电流为48.1 kA。为确保3台主变并列运行时10 kV母线短路电流不超过10 kV馈线断路器额定遮断容量(31.5 kA)，单台主变流入10 kV母线短路电流设定在Id=10 kA，已知变压器低压侧等值阻抗X3=21.665 Ω，给定基准功率SB=100 MV·A，UB=10.5 kV，可知10 kV系统基准电流[27]

则总电抗(标幺值)

主变低压侧低压侧等值阻抗(标幺值)

加装的限流电抗器电抗值(标幺值)

Xk*=Xz*-X3*=0.46.

加装的限流电抗器电抗值

因此，将同益站10 kV零损耗深度限流装置的限流电抗器电抗值设计为0.507 Ω，可确保最大运行方式下10 kV母线短路电流不超标。

3.3 限流动作情况分析

同益站3套10 kV零损耗深度限流装置动作定值整定为12.6 kA，装置自2015-11-10日至2018-12-31日运行期间，10 kV线路发生短路故障35次，零损耗深度限流装置因10 kV线路短路电流达到动作定值而可靠动作投入限流电抗器6次，其具体动作情况见表2，其余因短路电流未达到动作定值均可靠不动作无需投入限流电抗器，装置动作正确率为100%。

表2 同益站10 kV零损耗深度限流装置动作情况表

图9为2016-07-15日同益站10 kV 710线路发生BC相相间短路故障时，1号主变10 kV侧故障电流录波波形。

由图9可知：在t1=96 ms时刻10 kV系统发生了BC相间短路；在t2=100 ms时刻(即发生故障后4 ms)B相电流瞬时值陡增至20.5 kA(对应有效值14.5 kA)，大于装置动作定值(12.6 kA)，此时装置启动；t3=108 ms时刻约为首半周波过零点时刻，即装置启动后8 ms左右，装置投入限流电抗，其后半周波较前半周波电流明显下降；在t4=123 ms时刻故障电流瞬时值已降至13.4 kA(对应有效值9.5 kA)；在t5=168 ms时，即故障发生后72 ms，10 kV 710线路保护动作跳闸将故障隔离，1号主变10 kV侧电流恢复至工作电流。

图9 10 kV 710线路BC相短路时主变故障录波图

由此可知，在10 kV系统发生需限流的BC相相间短路故障后，10 kV零损耗深度限流装置约在8 ms内投入了限流电抗器，将故障电流由最大的19.7 kA(对应B相最大峰值电流27.9 kA)降为9.5 kA，远小于10 kV馈线断路器额定遮断容量(31.5 kA)，限流深度达到51.8%，有效降低了短路电流对电网设备的冲击效应，相对提升了变压器、断路器抗短路冲击能力。

4 结束语

文中介绍了一种10 kV零损耗深度限流装置，正常运行时该装置不投入限流电抗器，当发生需限流的10 kV短路故障时，该装置在短路故障发生后20 ms内，按设计限流深度将超标的短路电流限制在设备允许范围内，解决了以往限流设备在运行时系统压降、电能损耗增加、限流深度和可靠性不足的问题。

该装置在中山供电局220 kV同益站的应用实例，证明了其在10 kV母线近区短路故障时可有效地限制短路电流，保障了设备安全运行，提高了10 kV系统供电可靠性。