基于ATP-EMTP 的高压快速开关应用仿真分析

史玉涛 王婷 彭鹏 李佳其

（国网甘肃省电力公司电力科学研究院 甘肃兰州 730070）

0 引言

近年来，随着甘肃电网进一步发展，电网短路电流水平大幅提高，部分变电站短路电流水平已接近或超过断路器的遮断容量。如果发生断路器不能灭弧引起爆炸，轻则造成母线短路致使变电站失压，重则导致系统性事故引发大面积停电［1-2］。系统短路电流超标问题已成为制约甘肃电网安全稳定运行和发展的主要因素之一。

传统限制故障短路电流的措施有：优化电网结构，电网解环运行，更换大容量设备，母线分列运行以及使用故障限流器等［3-5］。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［6］。

快速开关具有快速分闸特性，可以在故障期间快速动态改变系统拓扑结构，切除故障后迅速闭合，从而减小对电网稳定运行的影响。近年来，国内研究人员率先对采用快速开关限制短路电流进行了相关研究。研究的焦点主要集中于快速开关基本原理［7］，电磁斥力快速驱动机构［8-9］，快速短路故障识别技术［10］，基于快速开关的串联谐振型故障限流器应用仿真［11-14］以及应用快速开关提升电能质量等方面［15］。

本文基于甘肃电网某330 kV 变电站运行构架，建立了基于电磁暂态分析软件ATP-EMTP 的短路电流计算分析模型，计算分析了变电站内不同关键节点应用快速开关的限流效果及馈线电压波动情况，研究结果对快速开关的工程应用具有较好的指导意义。

1 快速开关工作原理

快速开关是指能够在1 个周期内实现分闸切除故障的断路器，其动作速度更快，能够实现“首波开断”。目前已研制的高压快速开关通常采用快速涡流驱动技术。基于涡流驱动的高压快速开关的操动机构电气原理如图1 所示，其中储能机构采用电容储能，为操动机构提供能量支撑。

图1 涡流驱动机构电气原理图

快速涡流操动机构的工作原理：对操动机构投入工作电源后，充电电源首先对储能电容进行充电。当需要合闸时，合闸控制开关接收指令接通，储能电容向合闸线圈回路释放能量，放电过程中会产生高强度的脉冲电流并在线圈上形成脉冲磁场，涡流盘在脉冲磁场作用下产生感应涡流，脉冲磁场和涡流磁场之间的电磁斥力推动金属盘运动，带动动触头完成合闸。合闸之后由永磁机构保持开关状态。当需要分闸时，分闸控制开关接通，分闸线圈得电，涡流盘在电磁斥力作用下带动动触头完成分闸动作［7］。

目前，常规开关继保出口时间通常为20～30 ms，断路器分闸时间约为20 ms，燃弧时间为15～20 ms，所以常规开关完整的开断时间为60 ms 或者更久。快速开关采用快速故障诊断技术，10 ms 内即可完成故障诊断并下达分闸命令，10～15 ms 内即可完成动静触头分离和灭弧，因此快速开关在25 ms 之内能够完成故障切除［16］。

2 快速开关限制短路电流的机理概述

电力系统短路故障分为对称短路故障和非对称短路故障2 类，其中最为典型的是单相接地故障和三相短路故障。当系统发生短路故障时，系统内流过的电流急剧增长，通常为运行电流的几十甚至几百倍，短路电流越大，运行时间越长，对系统一、二次设备伤害越严重［17］。

故障短路电流的持续时间与系统中开关的开断时间息息相关［15］。变电站关键节点处应用快速开关，在系统发生短路故障时，快速开关快速分闸，切断其中一部分电源对故障点短路电流的供给，从而减小短路电流，使短路电流值小于开关遮断容量，确保相关开关能够顺利灭弧，消除故障电流。当故障电流消除后，快速开关合闸，系统恢复正常运行。

3 仿真分析

3.1 ATP-EMTP 仿真模型

以甘肃电网某330 kV 变电站网络拓扑结构为例，变电站采用双母线分段接线方式。在ATP-EMTP 软件中建立暂态分析仿真模型（见图2），该模型主要由以下5 部分组成。

图2 ATP-EMTP 仿真模型图

（1）电网：330 kV 线路侧电网采用三相理想电源进行等效，电源1 和电源2 相同，相电压峰值为

（2）330 kV 输电线路：仿真分析时输电线路采用Bergeron模型，电源1 对应线路长度为23.8 km，电源2 对应线路长度为4.67 km。线路架设双避雷线，杆塔接地电阻为5 Ω。

（3）变压器模型：变压器模型采用Y-Y 连接三相饱和变压器（#Sat.Y/Y 3-leg）模型，变压器容量为360 MVA，高压侧额定电压电压为345 kV，低压侧额定电压为121 kV，励磁损耗和短路损耗均采用实际变压器名牌参数。

（4）110 kV 输电线路：负荷侧共有8 条出线，其中每2 条出线接入同一变电站，线路长度分别为：10.1 km、8.82 km、25.94 km 和8.57 km。

（5）用户负载：使用三相对称Y 接电阻进行等效，等效电阻为200 Ω。

3.2 仿真结果分析

在系统中设置0.1 s 发生母线三相短路接地故障，仿真系统未应用快速开关，母线分段开关KF1，2、母联开关KC1，2和变压器低压侧出线开关Kr1，23 个关键节点分别应用快速开关4 种不同情况下系统短路电流的变化情况，仿真结果如下。

（1）当系统未应用任何限流措施时，系统三相短路电流情况如图3 所示，其中方框-实线为A 相电流，圆-实线为B 相电流，三角-实线为C 相电流。根据仿真图可以看出，当接地短路发生后，A 相短路电流最大峰值为-51.15 kA，B 相为42.46 kA，C 相为37.77 kA。经过180 ms 左右，三相短路电流达到稳定且相近，稳态峰值为28.29 kA。

图3 系统未应用任何限流措施下三相短路电流波形

（2）当在母线分段处应用快速开关KF时，快速开关分闸时间设置为20 ms，仿真得到的母线故障点短路电流波形如图4所示，出线2 电压波动如图5 所示。由仿真波形可以看出，故障发生前20 ms，快速开关未动作，因此短路电流波形与图3相同，当快速开关打开后，三相短路电流波形相比于未采取限流措施时有明显的变化。此时变电站运行方式变为母线分列运行，故障点短路电流仅由主变2 提供。达到稳定后三相短路电流峰值为15.47 kA，相对减少了45.3%。由图5 可知，当故障发生后，母线失压，出线电压降为0，随着快速开关分闸，出线2恢复供电，整体电压波动时间约30 ms。

图4 母线分段处应用快速开关时三相短路电流波形

图5 母线分段处应用快速开关时出线2 电压波形

（3）当在母联处应用快速开关KC时，仿真得到的母线故障点短路电流波形如图6 所示，出线2 电压波形如图7 所示。由仿真波形可以看出，此时在快速开关限流作用下，三相短路电流有大幅度降低，此时短路电流主变1 提供，电流峰值为13.87 kA，相对减少了50.97%。根据图7，母联开关应用快速开关对供电可靠性影响与分段开关相同，电压波动时间约为30 ms。

图6 母联处应用快速开关时三相短路电流波形

图7 母联处应用快速开关时出线2 电压波形

（4）当在主变低压侧出线处应用快速开关，母线Ⅳ发生三相短路故障，可以跳开开关KR2，或开关KR1。以上2 种情况，母线短路电流限制情况与快速开关应用于分段开关或母联开关相同。当KR1 和KR2 同时分闸时，故障点短路电流情况如图8所示，此时2 台主变均空载运行，停止向母线供电，母线失压，出线侧供电可靠性存在影响。

图8 主变出线侧开关动作时三相短路电流波形

4 结论

（1）高压变电站应用快速开关替代常规开关，能够显著降低故障电流水平，限流效果显著，同时能够较少故障电压波动时间，对用户供电可靠性和安全性提供了有力保障。

（2）在母线分段处和母联处分别应用快速开关，分别能够将故障电流峰值相对减少45.3%和50.97%，同时非故障母线侧出线电压波动持续时间仅为30 ms，能够有效减小短路电流对系统的冲击并保障用户用电的可靠性。而在主变低压侧出线应用快速开关可能造成出线侧母线全部失压，对用户供电可靠性存在影响，因此在实际变电站建造过程中不建议在主变低压侧出线应用快速开关。