采用220 kV 快速开关的柔性短路电流抑制技术与工程实践

杨 勇，张 弛，徐 华，邵先军，戚宣威，金涌涛，何 坚

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014 2.国网浙江省电力有限公司，杭州 310007）

0 引言

随着浙江电网的快速发展，省内500 kV 及220 kV 等电压等级的短路电流水平逐年攀升。部分变电站的母线短路电流水平已经接近或者超过了断路器的遮断容量，短路电流超标问题已经成为制约浙江电网发展和电网安全运行的主要矛盾之一。

传统短路电流抑制措施主要有：设备投停、母线分列运行、线路出串运行、电网解环运行、采用高阻设备、变压器中性点装设小电抗等措施。浙江电网多采用拉停线路、母线分列运行等措施降低电网的短路电流水平，但这些措施对电网运行的灵活性、可靠性以及经济性存在一定负面影响[1-2]。

针对常规短路电流抑制措施的弊端，本文提出柔性短路电流抑制技术，通过采用快速开关在故障期间动态改变系统拓扑结构，母线短时分列运行，限制短路电流，同时降低对系统正常运行的影响。故障切除后快速开关迅速闭合，避免了传统母线长期分列运行给电网带来的影响[3-4]。

近年来，国内研究者对采用快速开关限制短路电流进行了研究。研究的焦点主要集中于基本原理、快速驱动机构、短路故障识别和仿真分析等问题。文献[5]对快速开关的关键技术即快速涡流驱动技术和短路故障快速识别判据进行了论述，提出利用快速开关的快速分闸特性可以在故障时迅速实现电网解列，达到降低短路电流水平的目的。文献[6]为解决采用传统操作机构的断路器分合闸速度和可靠性较低的问题，提出了一种基于涡流驱动的大容量快速开关，研制了10 kV/5 kA、开断能力80 kA 的快速开关。文献[7]以宁夏电网中某750 kV 变电站330 kV 母线发生三相短路故障为算例进行了仿真分析，结果表明采用快速开关的限制短路电流措施不仅能够显著地抑制短路电流，而且能够提升系统暂态稳定性。文献[8]研究了系统拓扑调整方法、配合时序及动作策略，结合典型系统结构研究了短路电流抑制效果，分析了拓扑调整对系统稳定和继电保护的影响。但是针对采用220 kV 快速开关短路电流抑制方法的工程应用、人工短路验证快速开关与常规开关的配合时序以及动作策略的正确性还未见相关报道。

本文阐述了柔性短路电流抑制技术的基本原理、快速开关基本工作原理和短路故障快速识别技术，提出了快速开关与常规开关的配合时序及动作策略，分析了快速开关在不同安装位置对故障点短路电流的抑制作用。为验证所提出的动作时序及控制策略的有效性，进行了220 kV 线路单相人工短路试验。

1 柔性短路电流抑制技术基本原理

图1 给出了柔性短路电流抑制技术的原理。支路n 发生短路故障，故障点短路电流是由相连的多条馈电支路汇集形成，故障点短路电流超过常规断路器的遮断容量，因此常规断路器无法开断系统的短路电流。

图1 柔性短路电流抑制技术原理

柔性短路电流抑制技术采用快速开关在故障期间动态改变系统拓扑结构，即在故障发生后、常规断路器分闸前将故障点与部分汇集支路隔离，切除支路1 和支路j 的短路电流，从而抑制故障点短路电流水平，降至常规断路器遮断容量内，提高切除故障电流的可靠性，降低对电网冲击。短路故障切除后且在满足同期并列运行条件的情况下，快速开关自动合闸，系统恢复正常拓扑结构，降低对系统正常运行的影响。

快速开关开断后，短路电流才能得到限制，要实现柔性短路电流抑制，快速开关应在常规断路器分闸时间内完成系统拓扑结构调整，因此快速开关快速性能以及快速开关与常规断路器的时序配合十分重要。下面从快速开关基本工作原理、短路故障快速识别以及快速开关与常规断路器时序配合3 个方面进行阐述。

2 快速开关工作原理

在快速开关切除短路故障时，灭弧室内部会产生高温、高压电弧，断口间还要承受电弧熄灭后产生的暂态过电压，断路器开断过程中灭弧室内部是一个复杂的气流场—温度场—电磁场多场耦合的物理过程。此外，由于快速开关分闸时间要求小于8 ms，在瞬态冲击载荷的作用下，断路器传动系统容易出现磨损、断裂等机械故障。因此，灭弧室和传动系统是快速开关设计的核心。

图2 为灭弧室结构。快速开关在开断短路电流时，部分电流能量被导入热膨胀室（压气缸）而产生膨胀压力，这种压力在同一方向上与压气缸压缩的气体压力叠加而实现音速吹弧，当喷口打开时，封闭气缸内压力释放而实现冷热气体交换，使电流在过零点时熄灭，同时电弧在气缸内产生的压力也帮助驱动机构执行分闸操作，所以大大减少了分闸操作。

图2 快速开关自能式灭弧室结构

快速开关传动系统采用快速涡流驱动机构与碟簧液压机构相结合的驱动技术。快速涡流驱动机构代替常规的分闸电磁铁，其部件主要由绝缘拉杆、涡流盘、线圈等组成，运动部分的质量只有普通断路器的1/10 左右，为断路器的提速创造了条件。采用电容储能、涡流驱动，大大提高了驱动力。同时减掉了传动、转动等易降低动作速度的中间环节[8-9]。

图3 是快速开关操动机构的工作原理示意，图中为合闸位置。分闸过程如下：给分闸命令，快速涡流驱动机构分闸线圈得电，产生强度很高的脉冲电流并伴随着一个脉冲磁场，涡流盘在脉冲磁场的作用下感生涡流。脉冲磁场与涡流磁场之间的排斥力推动涡流盘带动分闸先导阀的阀芯运动，打开先导阀阀口，控制腔油路与低压油相通，主阀最右端的控制腔卸压。在面积差的作用下，主阀的阀芯向右运动，工作缸左腔与低压油箱连通，同理，在面积差的作用下，工作缸向左运动，带动灭弧室运动部分完成分闸动作。

3 短路故障快速识别技术

图3 快速开关操动机构的工作原理示意

短路故障快速识别是快速开关的一个至关重要的性能指标，一般采用基于电流量的检测识别方法，如测到的电流量大于预先设定的门槛值，则认为故障发生。故障检测识别方法要同时兼顾快速性和可靠性。信息量大则故障信号识别相对准确，然而为了有效限制故障电流，要求识别时间尽可能短。

目前继电保护装置一般采用方均根算法、快速傅里叶变换算法、最小二乘法进行故障检测，一般需要先采集20 ms（最少10 ms）的数据，经过处理后再与设定值比较才能进行判断，显然不能满足快速开关的应用需求。目前常见的快速检测方法包括电流瞬时值、斜率、曲率、定积分、三相电流平方和等。快速开关保护采用电流瞬时值过流和电流差分算法相结合的故障检测方法[10-13]。电流瞬时值过流方法是对电流实时采样点进行判断，当采样点绝对值大于定值时经延时确认后动作。采用电流差分算法根据电流三点采样值差分计算短路电流幅值，计算得到的短路电流幅值越限经延时确认后动作。

4 快速开关的动作时序及控制策略分析

要实现柔性短路电流抑制，快速开关和常规断路器的配合时序十分重要。断路器开断过程可分为两个阶段，一是从接到分闸命令到触头机械分离的阶段，该阶段时间（机械分闸时间）为tOpen；二是从触头分离时刻到电弧过零熄灭的燃弧阶段，该阶段时间（燃弧时间）为tArc。快速开关应在常规断路器触头分离时刻前完成开断，从而限制常规断路器的开断电流[1]。从故障发生到快速开关开断的时间包括继电保护动作时间tRelay1和快速开关开断时间tBreak1。其中开断时间tBreak1包括机械分闸时间tOpen1和快速开关的燃弧时间tArc1。从故障发生到常规断路器触头分离的时间tSeparation包括继电保护动作时间tRelay2和断路器机械分闸时间tOpen2。要满足对短路电流的限制，需要满足：

保持现有系统继电保护动作时间和断路器分闸时间不变，缩短快速开关的继电保护动作时间和开关开断时间，快速开关在常规断路器触头分离前完成系统拓扑结构调整，实现柔性短路电流抑制。

5 快速开关配置方案

以天一变为例，从开断母分快速开关后，母线Ⅰ段，母线Ⅱ段分别由两个独立供区供电，断开母分开关后，两系统解耦，母线短路电流下降明显，其电流路径如图4 所示。

图4 天一变220 kV 母线故障，母分快速开关开断后的短路电流路径

从开断母联快速开关后，天一变正母，副母间通过220 kV 系统耦合，仅断开母联断路器，电源仍可通过耦合的220 kV 系统向故障母线提供短路电流，其等值电路如图5 和图6 所示。故障母线上220 kV 线路新增短路电流由另一侧无故障母线的500 kV 电源供给，此时220 kV 非故障母线的电压将被故障点拉低至零电压左右。因此仅断开母联断路器，对短路电流的抑制效果不明显。

从上述快速开关动作模式的效果对比可见，在当前系统运行方式下，通过断开母分快速开关，可以显著抑制天一变220 kV 母线的短路电流。而通过断开母联断路器的模式，由于其并未切断电源点向故障点的短路电流通路，对短路电流的抑制效果不明显。因此天一变短路电流抑制工程将快速开关安装在正母分段开关的位置。

图5 正母故障，母联断路器开断后的非故障母线短路电流馈入情况

图6 副母故障，母联断路器开断后的非故障母线短路电流馈入情况

6 快速开关性能验证

6.1 系统方式

天一变220 kV 母线Ⅱ段对外联系较为薄弱，若故障期间事故扩大化导致天一变220 kVⅡ母线全部失电，将导致下应、桑田全停，因此人工短路点安排在天一变220 kVⅠ段出线上。考虑到空充线路和合环线路上人工短路试验保护的动作效果相同，为降低人工短路的影响、防止事故扩大化，并防止线路对侧变电站动作对试验造成的影响，选择在天一变220 kVⅠ段空充天惠线上实施人工短路。天惠线和天明线为同杆并架线路，为防止试验期间天明线故障，在试验期间拉停天明线。

为保证试验期间的运行可靠性与安全性，安排将天一变220 kV 正母Ⅰ段上的非试验线路全部倒排至副母Ⅰ段，220 kV 正母Ⅰ段上仅安排天惠线，并将220 kV 正母Ⅱ段上的3 号主变倒排至220 kV 副母Ⅱ段，系统运行方式如图7 所示。同时为验证快速开关对短路电流的抑制效果，拉停220 kV 副母母分断路器，只要快速开关动作，即可以实现天一变220 kVⅠ段与Ⅱ段母线的解列运行。

图7 天一变220 kV 系统运行方式

6.2 试验数据

6.2.1 短路电流数据

天惠线发生单相人工短路后，天惠线电压、天惠线电流、1 号母联电流和正母分段电流（快速开关）在120 ms 内的波形见图8 所示，短路电流数据见表1。

图8 短路电流、电压波形

表1 短路电流数据

由图8 可知，短路发生在天惠线电压最大时刻，暂态过程中短路电流非周期分量较小，初始值2 kA 左右，考虑到非周期分量的衰减，电流值以全电流的有效值计算。

从短路电流波形可以看到，故障发生到快速断路器开断的时间为20.1 ms，故障发生到常规开关开断的时间为60.2 ms。短路过程分为两个阶段，第一阶段是正母分段快速开关开断前，持续时间20.1 ms，第二阶段是正母分段快速开关开断后，持续时间40.1 ms。短路过程第一阶段，天惠线短路电流有效值30.8 kA，快速开关短路电流有效值11.3 kA，1 号母联有效值20.3 kA；短路过程第二阶段，天惠线短路电流有效值24.2 kA，快速开关短路电流0，1 号母联短路电流有效值24.2 kA，此时流过天惠线开关的短路电流等于流过1 号母联的短路电流。快速开关20.1 ms内实现系统解列，天惠线短路电流由30.8 kA 降为24.2 kA。

短路电流抑制效果可由短路电流抑制系数体现，计算公式为：

式中：μ 为短路电流抑制系数；Ikuai为快速开关开断前流过快速开关的短路电流；Iline为快速开关开断前故障线路的短路电流。计算得到短路电流抑制系数为36.7%，该系数主要取决于系统运行方式。

6.2.2 动作时序数据

天惠线发生单相人工短路后，快速开关行程及保护动作情况见图9 所示。其中t1为短路发生时刻，t2为快速开关触头开始动作时刻，t3为天惠线断路器保护出口时刻，t4为快速开关短路电流熄弧时刻，t5为快速开关分闸到位时刻，t6为天惠线断路器触头开始动作时刻，t7为天惠线断路器短路电流熄弧时刻，t8为天惠线断路器分闸到位时刻。

计算保护动作时间、快速开关启动时间、开关触头开始运动至熄弧时间和开关触头开始运动至分闸到位燃弧时间，结果见表2。tRelay为保护动作的时间，tStart为开关接到分闸命令到开关触头开始运动的时间，TMovement-Arc为开关触头开始运动到最终熄弧的时间。

正母分段开关（快速开关）继电保护动作时间tRelay1为2.2 ms，天惠线继电保护动作时间tRelay2为10 ms，正母分段开关（快速开关）保护动作时间较天惠线保护动作时间缩短了78%。正母分段开关（快速开关）启动时间tStart1为4.5 ms，天惠线开关启动时间tStart2为22.9 ms，启动时间缩短80.3%。

图9 快速开关动作时序

表2 快速开关动作时序数据

结合正母分段快速开关固有分闸时间tOpen17.8 ms 和天惠线开关固有分闸时间tOpen235.1 ms，可以通过式（3）计算得到正母分段快速开关和天惠线断路器的燃弧时间，分别为10.1 ms 和16.8 ms，正母分段快速开关燃弧时间较天惠线断路器缩短39.9%。式中tArc为开关的燃弧时间，tStart为开关收到动作命令到开关触头开始运动的时间，TMovement-Arc为开关触头开始运动到熄弧的时间，tOpen为开关的固有分闸时间，即：

从故障发生到快速开关开断的时间为20.1 ms，即tRelay1+tOpen1+tArc1=20.1 ms。从故障发生到常规断路器触头分离的时间tSeparation，由式（4）计算得到45.1 ms，远满足式（1）的要求。

7 结论

（1）在柔性短路电流抑制技术基本原理、快速开关基本工作原理和短路故障快速识别技术的基础上，提出了500 kV 天一变快速开关配置方案，该配置方案可有效降低短路电流，提升500 kV天一变的运行可靠性。

（2）单相人工短路接地试验表明，快速开关20.1 ms 内实现系统解列，线路短路电流下降明显，短路电流抑制为36.7%，有效降低了短路电流水平。快速开关20.1 ms 开断短路电流，常规断路器60.2 ms 开断短路电流，时间缩短40.1 ms。

（3）快速开关采用电流瞬时值过流和电流差分算法，保护动作时间2.2 ms，明显快于常规继电保护10.0 ms 的保护动作时间。快速开关采用快速涡流驱动机构与碟簧液压机构相结合的驱动技术，快速开关启动时间4.5 ms，明显快于常规开关22.9 ms 的启动时间。快速开关采用自能式灭弧室，燃弧时间10.1 ms，快于常规断路器16.8 ms 的燃弧时间。结果表明快速开关的各项性能指标均优于常规断路器。

（4）展望未来，220 kV SF6快速开关的工程应用为有效开展短路电流抑制提供了重要参考，同时也为研制550 kV SF6高速开断断路器（额定短路电流63 kA，全开断时间≤25 ms）打下了基础。研制550 kV SF6高速开断断路器需要进一步开展高速开断用操动机构关键技术研究和高速开断灭弧室关键技术研究。