电力系统投切感性、容性电气设备时,如果断路器投切相位、时间、策略控制不当,带来暂态过电压或过电流,会对电力设备和电力系统产生较大冲击[1,2]。目前投切频率相对较高的是高压直流和柔性直流工程中换流变压器(简称“换流变”)、交流滤波器组,换流变空载合闸时会产生励磁涌流,含有大量的非周期分量和高次谐波分量,易产生和应涌流,导致换相失败、相关保护误动等情况出现[3,4];交流滤波器投切时,也会引起暂态过电压和电流,导致换相失败、投切不成功、相关保护误动等情况发生[5,6,7,8,9]。因此,换流变、交流滤波器的断路器均配置了选相合闸装置,利用技术手段使断路器动、静触头在系统电压波形的指定相角处合闸,以降低合闸时的励磁涌流、暂态过电流及暂态过电压。

总的来说,断路器投切时可能产生暂态过电压、过电流的电力设备包括空载变压器、电容器组、并联电抗器、交流滤波器和空载线路等。按合闸后果情况可分为易产生暂态过电压(如电容器、电抗器、滤波器、空载线路等)和易产生暂态过电流(如变压器等)2类[10,11,12,13];按三相电磁耦合情况可分为有电磁耦合类(如变压器等)、无电磁耦合类(如滤波器、电容器等)2类。

目前断路器选相合闸方法的研究主要集中在单相最佳合闸方法和时间、断路器触头动作特性和绝缘特性的影响等方面,缺少对三相合闸策略的研究。例如文献[2]主要分析了交流滤波器开关单相合闸方法、时间;文献[3]主要研究了换流变开关防止励磁涌流的单相合闸方法、合闸时间;文献[4]主要论述了计及剩磁影响的空载变压器单相合闸方法;文献[5]主要剖析了电容器组单相分合闸方法和时间、断路器触头动作特性和绝缘特性等影响。此处关于单相最佳合闸角计算,根据电磁感应定律和麦克斯韦方程组可知,为避免暂态过电流和暂态过电压分别采用电压峰值角和电压过零点角[10,11,12,13]。

由于高压交流电网中三相电压和电流相位分别相差120°,当A相达到最佳合闸角时,B、C两相尚未达到最佳合闸角。如果三相均在A相最佳合闸角时同步合闸则B、C相合闸效果不佳,易造成暂态过电压或电流。如果A、B、C三相均在本相最佳合闸角时分相合闸,当三相无电磁耦合时合闸效果较好;当三相有电磁耦合时,电压峰值角、过零点会出现畸变,如仍在原最佳合闸角合闸,易产生暂态过电压或过电流,导致分相合闸效果不佳甚至失败。

目前对断路器三相合闸策略开展系统性研究较少,缺少计及三相电磁耦合影响的选相合闸方法研究,工程现场主要采取分别单相合闸或盲目套用某一接线方式的三相合闸策略。从实际运行情况看,由于三相合闸时选相合闸控制策略不合理、功能设计不完善、参数设置不匹配等原因,高压直流和柔性直流工程多次出现换流变选相合闸效果不佳、相邻元件保护误动等情况。

本文对计及电磁耦合影响的选相合闸策略进行研究分析,提出不同接线方式下的三相合闸策略,并通过EMTDC仿真和工程现场实例进行验证。

1、断路器选相合闸计算模型

计及电磁耦合影响三相合闸时,需要视电磁耦合情况确定具体选相合闸相位、时间。由于变压器是最为典型的电磁耦合设备,下面以换流变为例分析几种常见接线方式下的断路器选相合闸策略。

1.1YnD11接线方式非全相运行计算模型

YnD11接线方式的换流变三相断路器分相合闸是逐相合闸的,可视为非全相运行过程,先合相必然对后合相产生电磁感应影响。逐相合闸过程包括合一相、合二相、合三相等,每相合闸后均会对其余相产生磁链,影响其幅值和相位。为研究逐相合闸过程中电磁耦合影响,需要建立一相合闸、二相合闸的计算模型(三相合闸后各相电压与电源同幅值、同相位,不需要建模),实现对待合相电压幅值、相位与已合相的关系的分析,并研究已合相对待合相电磁耦合影响,确定对待合相采取何种合闸策略才能使电磁耦合影响最小,即第一相在最佳合闸角合闸后,确定第二相、第三相的合闸策略。

对于YnD11接线方式换流变,设变比为k∶1(k为常数),A、B、C三相电源电压U˙a、U˙b、U˙c为:

公式1

式中U为相电源幅值。

1.1.1YnD11接线一相合闸、二相分闸方式

假设A相单相运行,此时等效电路如图1所示,图1中:U˙A1、U˙B1、U˙C1分别为换流变A、B、C相的原边电压;U˙A2、U˙B2、U˙C2分别为换流变A、B、C相的副边电压。

图1一相合闸时YnD11接线等效电路

根据图1等效电路可得:

公式2

所以有:

公式3

因此各侧相电压为:

公式4

可见A相以最佳合闸角(电压峰值角)合闸后,B、C待合相电压幅值分别是A相幅值的一半,方向相反,此时A、B、C相在互相去磁。A相合闸后1/4周期时为电压过零点,此时产生的磁通量最少,对B、C相影响最小。

1.1.2YnD11接线二相合闸、一相分闸方式

假设B、C相合闸,A相分闸,此时等效电路如图2所示。

图2二相合闸时YnD11接线等效电路

根据图2等效电路可得:

公式5

所以有:

公式6

因此各侧相电压为:

公式7

可见B、C相合闸时,待合相A相电压与电源侧电压同幅值、同相位,此时A相不能去磁,电磁耦合效应随着时间而增加;因此要避免这种情况出现,即避免前两相先合、一相后合,应一相先合、后两相同时合闸或三相同时合闸。

要顺利完成三相合闸,应先在首合相最佳角(电压峰值角,下同)进行合闸,其余两相进行去磁,然后在首合相合闸1/4周期时后两相同时合闸。

1.2YD11接线方式非全相运行计算模型

1.2.1YD11接线一相合闸、二相分闸方式

假设A相合闸,此时等效电路如图3所示。

图3一相合闸时YD11接线等效电路

由于一次侧没有形成通路,因此各相电压均为0,合闸相对分闸相电磁耦合影响可忽略。

1.2.2YD11接线二相合闸、一相分闸方式

假设B、C相合闸、A相分闸,此时等效电路如图4所示。

根据图4可得:

公式8

图4二相合闸时YD11接线等效电路

所以有:

公式9

一次侧A相电压为0(即一相分闸)时,分闸相电压为0,另外两合闸相电压幅值变为原来的3√2倍,相角相差180°。因分闸相电压恒为0,不受合闸相影响,故电磁耦合影响可忽略。

综合第1.2节可知:YD11接线方式下,无论是一相合闸还是二相合闸,合闸相对分闸相电压、磁通均没有影响;因此在这种接线方式下,三相合闸策略应该是先计算各相的最佳合闸角(电压峰值角),然后分别在最佳合闸角合闸。

1.3YnY接线方式缺相运行计算模型

如果变压器二次侧是星形接线,则三相磁通是相互独立的,三相电压不会互相影响,电磁耦合影响可忽略;因此三相合闸策略是先计算各相的最佳合闸角(电压峰值角),然后分别在最佳合闸角合闸。

2、选相合闸策略及应用

2.1高压断路器三相合闸策略

通过前述分析计算,提出计及电磁耦合影响的三相合闸策略确定步骤如下:

a)确定受控电气设备类型,包括:①合闸后果类型,即易产生暂态过电流或者暂态过电压;②三相电磁耦合类型,即有电磁耦合类、无电磁耦合类。

b)确定单相最佳合闸角,包括:①易产生暂态过电流者采用电压峰值角;②易产生暂态过电压者采用电压过零角。

c)确定三相合闸配合策略,包括:①对于无电磁耦合类受控电气设备,三相合闸配合策略为分别在各相最佳合闸角合闸;②对于有电磁耦合类受控电气设备,视接线方式采用不同的三相合闸配合策略;③YnD类先在首合相最佳合闸角进行合闸,其余两相进行去磁,然后在首合相合闸1/4周期时后两相同时合闸;④YD类先计算各相的最佳合闸角,然后分相在最佳合闸角合闸;⑤YnY类先计算各相的最佳合闸角,然后分相在最佳合闸角合闸。

2.2实际选相合闸功能时序分析

工程实际中选相合闸装置[11,12]的功能时序如图5所示,装置可实时采集电源侧母线三相电压,接收其他控制保护装置的三相合闸指令,在接收到合闸指令后,判断电压过零点或峰值点,然后进入等待时间;此时计算各相最佳合闸角,等待时间结束后发出合闸命令,使断路器触头在指定的电压过零点或峰值点处合闸。

图5选相合闸功能时序图

由于断路器机构离散性[13,14,15,16]和动静触头的绝缘预击穿特性[17,18,19,20,21,22,23],实际选相合闸定值整定时应将目标合闸点设置在系统电压过零点或峰值点后某个相位,因此实际合闸角度通常大于目标合闸角(定值)。

3、选相合闸策略仿真

按照某500kV高压直流输电工程参数建立了EMTDC仿真模型,对换流变断路器选相合闸策略进行了仿真验证。仿真系统的参数如下:额定功率为3000MW;换流器为12脉动;直流电压为500kV;直流线路长为1220km;直流滤波器为2组/站;交流滤波器为14组/站;交流母线电压为525kV;换流变为有载调压、25档,每档调1.25%,每站每极3台YnD11、3台YnY;双极潮流控制方式为自动定功率;功率方向为整流站至逆变站;无功控制方式为定无功;换流变分接头控制为定角度。

对直流极从备用至闭锁状态转换过程进行了仿真,仿真共持续500ms,第60ms时开始选相合闸。在换流变常见接线方式(YnD11、YnY)下,整流站充电励磁电流波形如图6、7所示,逆变站充电励磁电流波形如图8、9所示。图6—9中:策略1为按照本文提出的合闸策略确定合闸方法;策略2为分相在最佳角合闸;策略3为同时在A相最佳角合闸;IaF_策略1为按策略1合闸时A相电流波形;IbF_策略1为按策略1合闸时B相电流波形;IcF_策略1为按策略1合闸时C相电流波形;其他标示含义依此类推。

图6整流站YnD11接线方式仿真波形

图7整流站YnY接线方式仿真波形

图8逆变站YnD11接线方式仿真波形

图9逆变站YnY接线方式仿真波形

从图6—9所示的充电励磁电流波形可见:策略1对2种接线均有效,合闸后三相正弦电流波形较为平滑、对称,无明显涌流;策略2对YnD11接线无效(波形畸变、涌流明显);策略3对2种接线均无效(波形畸变、涌流明显)。故本文提出的三相合闸策略适用换流变不同接线方式,可以抑制励磁涌流,提升选相合闸有效性。

4、选相合闸策略实例分析

某特高压换流站的某换流单元换流变为YnY接线,该换流单元由备用状态转闭锁状态时合上换流变交流断路器,由于励磁涌流过大,全部B型交流滤波器的电阻过热导致负荷三段保护动作跳闸,无B型交流滤波器可用及直流极闭锁。

查阅换流变交流断路器动作时间特性测试结果可知,断路器本身未发现较大的离散性,换流变交流断路器对应的选相合闸装置数据见表1。

表1事故当天合闸角度及励磁涌流

分析表1可知:此次合闸时采用三相合闸策略是先在首合相最佳角合闸、其余两相经1/4周期后再合闸,三相合闸角度分别为90°、180°、180°。可见未根据YnY接线方式选择对应的三相合闸策略导致励磁涌流的出现(峰值1.727kA),最终选相合闸失败。

事后根据本文提出的YnY接线方式三相合闸策略重新设置,即分别在各相最佳角合闸,三相合闸角度分别为90°、-30°、-150°,现场试验结果见表2,合闸时刻励磁涌流峰值仅0.07kA,可见改进策略后选相合闸效果良好。

表2调整后合闸角度及励磁涌流

5、结束语

现有高压断路器三相合闸配合策略缺少系统研究,主要采用分相单相合闸策略,这一策略对于电力系统广泛存在的电磁耦合类受控高压电气设备不适用。本文提出了确定三相合闸策略的完整方案和步骤,和计及受控电气设备电磁耦合影响的选相合闸策略。根据接线方式采用不同的三相合闸配合策略,YnD类先在首合相最佳合闸角合闸,经1/4周期后再合后两相;YD、YnY类分别在各相最佳合闸角合闸。通过仿真和工程实例验证了所提合闸策略的正确性。

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基金:中国南方电网有限责任公司科技项目(CGYKJXM20180540)