基于无量纲化处理的直接试验回路两参数TRV计算方法研究

冷雪敏,许傲然,谷彩连,刘宝良,李志新

(1.沈阳工程学院 电力学院,辽宁 沈阳 110000;2.国网盘锦供电公司,辽宁 盘锦 124000)

配电网在电力系统中发挥着电能分配的作用,是由输电线路(架空线路、电缆)、杆塔、电力变压器、断路器、隔离刀、无功补偿装置等设备组成,断路器在电能分配过程中起着负载投切和路换切换的作用,且在配电网中发生短路故障的情况下快速切除故障保证其余网络正常供电[1-4]。我国高、中压配电网主要以10 kV和35 kV为主,对应的断路器额定电压分别为12 kV和40.5 kV,额定电压10 kV的配电网基本为电缆系统,额定电压35 kV的配电网大部分为电缆系统,仅有少量的线路系统。国家标准《GB 1984-2014高压交流断路器》将用于该电压等级的断路器划分为S1级和S2级两类,S1级用于电缆系统,S2级用于线路系统[5,6]。

断路器过零开断短路故障电流瞬间,端口间将承受系统振荡产生的瞬态恢复电压(Transient recovery voltage,TRV),以及随后的工频恢复电压(Power-frequency recovery voltage,PFRV),断路器开断短路故障的能力需要按照国家标准规定的试验参数进行严格考核,表征试验过程的核心参数为短路试验电流和TRV参数[1,7-12]。《GB 1984-2014高压交流断路器》规定了额定电压等级12 kV和40.5 kV断路器的TRV波形为两参数特征,由于电缆系统的对地电容和阻尼比线路系统的大,S2级断路器的TRV参数较S1级断路器严苛[5,6]。

在进行断路器的短路开断试验时,根据试验电压和试验电流是否来自同一电源划分为直接法和合成法[1,13-17],额定电压12 kV和40.5 kV的断路器短路开断容量相对比较低,通常大容量试验站配备的冲击短路发电机或220 kV电网专线即可满足试验容量的需求,大多数试验回路为直接法[15]。国内的大容量试验站在合成试验回路的预期TRV参数计算中采用无量纲法获得的曲线族查表[18-20];在直接法试验回路的预期TRV参数计算多采用软件仿真计算和经验法相结合,需要经过多次计算和调试才能满足标准要求,效率和准确度都比较低。基于此,本文研究和开发基于无量纲化处理的直接试验回路两参数TRV计算方法,可极大提升计算效率和缩短了回路调试时间。

1 短路故障开断试验回路及TRV标准值参数

1.1 直接法试验回路

《GB 1984-2014高压交流断路器》第6.103.3节中规定了优选的试验回路中性点应绝缘(经高阻抗接地),被试品的出线端的短路点应接地,首开极系数满足1.5的要求,直接法短路开断试验回路见图1所示。

图1中,G为冲击发电机或网络电源,MS为合闸断路器,MB为操作断路器,L为调节电抗器,TM为短路试验变压器(可根据试验电压投入或退出),RS、CS为TRV调频装置主支路,Cp为TRV调频装置时延支路,SP为被试断路器。在断路器短路开断试验时,由试验电源G或试验变压器TM的二次侧输出试验所需的电压,调节电抗器L满足试验所需的短路电流,被试断路器SP电流过零开断瞬间,试验电源G或试验变压器TM的二次侧向调频装置的主支路RS、CS和时延支路Cp充电,电磁振荡产生所需的TRV波形。

1.2 TRV标准值参数

《GB 1984-2014高压交流断路器》第6.104.5节中规定了断路器短路开断试验中应满足的TRV标准值参数,即：峰值uc、参考时间t3、时延td,这三个参数是由TRV波形上的三条切线和坐标轴一起定义的,具体见图2所示。

图2 规定两参数TRV波形及参考线

表1 S1级和S2级断路器TRV标准参数

表1中,试验方式T60、T30、T10的t3基准值为试验方式T100对应t3的实际值,td的基准值为该试验方式对应t3的实际值。

2 基于无量纲化处理的TRV参数计算方法

2.1 首开极单相等效计算电路

图3 用于首开极TRV参数计算的等效计算电路

在图3中,uS为等效的单相电源电压,为考虑首开极系数后1.5倍的相电压,L为每相试验回路的电感,utr为待求解的TRV波形。由二阶电路的零状态响应,可以建立utr的二阶电路方程为

(1)

(2)

(3)

2.2 有量纲到无量纲的正运算处理

在TRV参数计算过程中,试验电压Ur、试验电流I、回路电感L、TRV标准参数均为已知参量。由式(3)给出的utr解析表达式求解TRV波形数据时的变量为δ和ω0,而δ和ω0是由L、RS、CS决定的,L、RS、CS的单位分别为H、Ω和μF,对于单次或者少量的计算可以直接带入有量纲参数进行计算。考虑到TRV参数不易调节,且计算次数较多,以及便于后期通过查曲线直接手动计算TRV波形数据,可以将有量纲参量δ和ω0进行无量纲化处理,从而提高计算效率和绘制曲线簇,定义无量纲化处理中间变量为

(4)

则,式(3)经过无量纲化处理后,可得出

(5)

通过无量纲化处理使得TRV参数计算过程得以简化,应用式(5)可以得出dS从0.2至1.2改变时,utr.pu的波形变化见图4所示。

图4 振幅系数kaf与无量纲变量dS的关系

图4中,utr.pu波形的幅值即为振幅系数kaf,随着dS的增大,振幅系数kaf呈减小的趋势。表1中S1级和S2级断路器TRV标准参数的振幅系数kaf变化范围为1.4～1.8,查图可以得出对应的dS范围为0.075～0.36。

2.3 无量纲到有量纲的反运算处理

在应用无量纲化方法进行TRV参数计算时,由预期的TRV振幅系数kaf,在图4中查出对应的dS值。进一步,由已知的试验回路电感L、TRV参数t3、无量纲变量dS,从无量纲变量dS到有量纲变量RS、CS的计算过程为

(6)

由上述分析与计算过程可见,通过图4和式(6)可以快速地计算得到TRV调频装置的主支路RS、CS,且根据经验TRV调频装置的时延支路取Cp=0.5CS。鉴于国家标准和IEC标准中定义的TRV参数t3和TRV波形的振荡频率是非线性关系,因此上述的计算需要在初次计算的基础上微调几次才能获得最终的结果。

3 应用与试验

以额定电压12 kV,额定短路开断电流31.5 kA的S1级断路器短路开断试验方式T100s为例,由大容量实验室的冲击发电机系统直接试验回路如图5所示。图5中,G为某型号短路容量为2100MVA的冲击发电机,Rn为发电机中性点的高接地电阻,MS为合闸断路器,MB为操作断路器,L为调节电抗器,RS、CS为TRV调频装置主支路,Cp为TRV调频装置时延支路,SP为被试断路器。标准要求的预期TRV的振幅系数kaf为1.4,考虑到冲击短路发电机的工频恢复电压效率为85%,振幅系数kaf需要提高到1.65来补偿由于发电机衰减的影响。Ia、Ib、Ic为罗氏线圈电流测量元件,Va、Vb、Vc为阻容分压器电压测量元件。

图5 12 kV/31.5 kA短路开断试验回路

应用本文中的无量纲TRV参数计算方法,查图4,dS取0.15,试验回路电感L为0.7×10-3H,TRV参数t3为61 μs,应用式(6)计算得出RS为5.0 Ω、CS为0.9 μF,Cp取0.45 μF。特别地,CS和Cp的计算值中包括了试验回路的杂散电容,实际投入参数的时候需要考虑杂散电容的影响,经过调试,RS实际投入5.0 Ω,CS实际投入0.6 μF,Cp实际投入0.3 μF。发电机励磁整定电压为12.6 kV,强制励磁在短路电流开始前40 ms投入,预期开断时刻前10 ms退出,强励倍数设置为8倍。

如图5所示,试验回路初始状态为试品和操作断路器处于合闸位置,合闸开关处于分闸位置。发电机励磁就绪,到达设定电压值后发出试验指令,合闸开关关合试验回路,短路电流流过试品,经过一定的金短时间后试品分闸,并承受开断后的TRV,经过300 ms后操作开关分闸,试验结束。由罗氏线圈测得A、B、C三相的试验电流分别为32.32 kA、34 kA、32.3 kA,由阻容分压器测得被试断路器的断口电压Uab、Ubc、Uca的工频恢复电压波形见图6(a)所示,瞬态恢复电压TRV的波形见图6(b)所示。

图6 短路开断试验TRV波形数据

从图6(b)可以看出,C相为首开相,在Ubc或Uca的起始瞬态部分读取TRV参数,峰值uc为21.2 kV、参考时间t3为60.9 μs、时延td为7.0 μs,TRV参数满足国家标准的要求。

4 结论

本文通过研究基于无量纲化处理的直接试验回路两参数TRV计算方法研究,得出以下结论。

(1)通过将TRV变量utr的解析表达式中两个有量纲变量δ和ω0经过无量纲化处理,使得utr表达式中仅有一个无量纲变量dS。当dS从0.2至1.2增大时,utr.pu的标幺值从1.8至1.1减小,且上升率呈逐渐增大的趋势。

(2)由预期的TRV振幅系数kaf,在图中查出对应的dS值。由已知的试验回路电感L、TRV参数t3、无量纲变量dS,可以通过逆运算计算得出有量纲变量RS、CS,且根据经验TRV调频装置的时延支路取Cp=0.5CS。

(3)以额定电压12 kV,额定短路开断电流31.5 kA的S1级断路器短路开断试验方式T100s为例,验证了计算方法的实用性和有效性,该方法极大的提升了计算效率和缩短了回路调试时间。