鄭艷彬 ，敬　濤 ，慕德凱 ，劉　鵬 ，王　瓊

（1.山東送變電工程有限公司，山東　濟(jì)南　250118；2.國(guó)網(wǎng)山東莒縣供電公司，山東　日照　276500；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司臨沂供電公司，山東　臨沂　276000；4.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司棗莊供電公司，山東　棗莊　277100）

0　引言

在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，斷路器作為保護(hù)裝置發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，斷路器的安全決定了電力系統(tǒng)運(yùn)行安全?；謴?fù)電壓是斷路器固有的一種性質(zhì)，在斷路器開(kāi)斷故障、燃弧熄滅后，出現(xiàn)在觸頭上的電壓即為恢復(fù)電壓。在時(shí)間尺度上，將恢復(fù)電壓分為工頻恢復(fù)電壓和瞬態(tài)恢復(fù)電壓。

觸頭間燃弧熄滅后，先出現(xiàn)的持續(xù)10 μs～10 ms的暫態(tài)電壓稱(chēng)作瞬態(tài)恢復(fù)電壓 （Transient Recovery Voltage，TRV）；暫態(tài)過(guò)程衰減完畢后，觸頭間出現(xiàn)的穩(wěn)態(tài)電壓稱(chēng)為工頻恢復(fù)電壓。因這段時(shí)間內(nèi)觸頭間游離的質(zhì)點(diǎn)還不少，而且介質(zhì)強(qiáng)度不穩(wěn)定，故瞬態(tài)恢復(fù)電壓特性比工頻恢復(fù)電壓特性對(duì)斷路器短路開(kāi)斷具有更大影響[1-2]。所以，TRV參數(shù)一直都是斷路器的重要參數(shù)。TRV參數(shù)中，主要關(guān)注的是TRV的幅值和上升率 （rate of rise of recover voltage，RRRV），上升率也叫作陡度。

隨著電壓等級(jí)的提高，瞬態(tài)恢復(fù)電壓的幅值也不斷提高，尤其是特高壓的TRV，其幅值將對(duì)斷路器和氣體絕緣開(kāi)關(guān)的絕緣造成極大的影響，并影響斷路器的開(kāi)斷能力，是斷路器設(shè)計(jì)過(guò)程中重要參數(shù)之一[3-5]。

1　瞬態(tài)恢復(fù)電壓

1.1　參數(shù)表示方法

TRV特性常用二參數(shù)法（T10和T30）和四參數(shù)法（T100、T60、OP1 和 OP2）表示。 電壓等級(jí)低于 110 kV或者雖然高于110 kV但短路電流較小或者額定開(kāi)斷短路電流較小時(shí)，TRV近似于單頻震蕩波，此時(shí)選擇二參數(shù)法表示。電壓等級(jí)高于110 kV或者開(kāi)斷短路電流較大時(shí)，TRV是一種多頻振蕩波。這是因?yàn)楦邏弘娋W(wǎng)是一個(gè)多電源、多出線的大容量網(wǎng)絡(luò)，使其必然成為多頻振蕩的電源網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生多頻TRV。此時(shí)的TRV很難用二參數(shù)法表示，只能使用四參數(shù)法表示。

1.2　影響因素

斷路器開(kāi)斷的故障主要分為兩類(lèi)，短路故障和系統(tǒng)失步解列故障。典型的故障有斷路器端部故障（BTF），變壓器限制的短路故障（TLF）、短線路故障（SLF）、長(zhǎng)線路短路故障（LLF）和失步解列故障（OP）。

波形和上升率（RRRV）。TRV取決于回路參數(shù)（電感、電容、電阻、波阻抗等）因素和斷路器特性（電弧電壓、弧后電導(dǎo)及斷口并聯(lián)的電容、電阻等）因素。一般情況下BTF產(chǎn)生指數(shù)波性質(zhì)的TRV，TLF產(chǎn)生振蕩波性質(zhì)的TRV。故障產(chǎn)生的TRV嚴(yán)重程度按升序排列為：LLF、SLF、BTF、TLF。 OP 開(kāi)斷產(chǎn)生的 TRV一般都很?chē)?yán)重，為了電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，需要對(duì)失步解列開(kāi)斷點(diǎn)進(jìn)行預(yù)先設(shè)定。

幅值。TRV的大小與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、故障類(lèi)型（短路故障、系統(tǒng)失步解列故障）、故障發(fā)生的時(shí)間及隨后的斷路器開(kāi)斷時(shí)間、開(kāi)斷時(shí)短路電流（包括交、直流分量）的大小和三相開(kāi)斷的時(shí)序等多種因素相關(guān)，需要統(tǒng)計(jì)分析，求出最大的 TRV[6]。

在接地故障類(lèi)型中三相接地故障TRV最大，單相接地故障時(shí)最小。根據(jù)IEC高壓交流斷路器標(biāo)準(zhǔn)，在斷路器開(kāi)斷短路電流的過(guò)程中，最嚴(yán)重的TRV出現(xiàn)在開(kāi)斷斷路器端部三相短路故障（BTF）和出口1 km 左右處三相短路故障時(shí)[7]。

開(kāi)斷失步情況下的TRV與兩個(gè)系統(tǒng)失步振蕩后的相位有關(guān)。理論上最嚴(yán)重失步情況下的TRV出現(xiàn)時(shí)兩個(gè)系統(tǒng)的電勢(shì)相位差為180°左右。

1.3　限制TRV措施

目前主要的限制措施有：減小短路電流、斷路器使用分閘電阻、低壓側(cè)并聯(lián)電容器、裝設(shè)金屬氧化物（MOV）限壓器方法、控制斷路器分閘相角等。

減小短路電流。TRV的大小與短路電流有著密切的關(guān)系，一般短路電流越大，TRV的幅值越大，而且容易導(dǎo)致斷路器第一次開(kāi)斷故障失敗，引起電弧重燃，從而產(chǎn)生二次或者多次TRV。因此，限制短路電流法是一種有效抑制TRV幅值的方法?，F(xiàn)在廣泛使用的一種可行的方法是采用串聯(lián)電抗器，國(guó)際上巴西、加拿大、日本等國(guó)已經(jīng)應(yīng)用了這項(xiàng)技術(shù)，目前我國(guó)在短路電流嚴(yán)重超標(biāo)的地區(qū)使用了該項(xiàng)技術(shù)，另外一些工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，在配網(wǎng)中應(yīng)用了這項(xiàng)技術(shù)[8]。但是線路在裝設(shè)串聯(lián)電抗器后，由于電抗器的影響，會(huì)使線路斷路器TRV上升率（陡度）提高，同時(shí)會(huì)使短路電流直流分量的時(shí)間常數(shù)增大，從而導(dǎo)致電弧釋放的能量增大，這些都可能影響斷路器的正常開(kāi)斷。

分閘電阻的使用。現(xiàn)實(shí)經(jīng)驗(yàn)表明分閘電阻是降低TRV的有效措施，日本特高壓電網(wǎng)就是主要依靠斷路器分閘電阻來(lái)限制相鄰線路接地故障的操作過(guò)電壓水平，也用來(lái)限制TRV的幅值和電壓上升率，減輕斷路器的負(fù)擔(dān)[8]。但分閘電阻要求的熱容量大、造價(jià)高，使斷路器的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，不僅降低了工作時(shí)動(dòng)作可靠性，還為維護(hù)檢查工作加重了負(fù)擔(dān)，且開(kāi)斷短路電流時(shí)電阻發(fā)熱現(xiàn)象不能忽略。我國(guó)學(xué)者在分析使用分閘電阻的優(yōu)缺點(diǎn)之后提出，在不使用分閘電阻的條件下，特高壓試驗(yàn)示范工程斷路器的瞬態(tài)恢復(fù)電壓峰值及上升率均在IEC斷路器標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)充和我國(guó)1 000 kV斷路器恢復(fù)電壓電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值的允許范圍內(nèi)[6]。這一觀點(diǎn)在淮南—皖南—浙北—滬西1 000 kV同塔雙回線路輸電工程的東線被采用，從而沒(méi)有使用分閘電阻。所以斷路器是否使用分閘電阻來(lái)限制TRV要具體問(wèn)題具體分析。

并聯(lián)電容器。并聯(lián)電容器也是一種限制TRV的有效手段，它主要是起到限制TRV上升率的作用，如變壓器側(cè)并聯(lián)一組電容可有效降低恢復(fù)電壓的上升率[10-12]，串聯(lián)電抗器兩側(cè)并聯(lián)電容器也可降低瞬態(tài)恢復(fù)電壓陡度[9]。

裝設(shè)金屬氧化物（MOV）限壓器。金屬氧化物能夠很好地限制瞬態(tài)恢復(fù)電壓的幅值，已經(jīng)在420 kV土耳其等超高壓輸電網(wǎng)中得到使用，且效果顯著，但仍然存在著金屬氧化物吸收能量較大的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，為解決該問(wèn)題，不得不對(duì)隔離開(kāi)關(guān)（ES）進(jìn)行操作，因此這種方法會(huì)加大運(yùn)行人員的工作難度，增加操作的失誤率。

控制斷路器分閘相角方法。通過(guò)合理控制分閘相位可以降低TRV的瞬態(tài)恢復(fù)特性，但是該方法對(duì)斷路器操縱機(jī)構(gòu)的動(dòng)作速度要求很高，且若沒(méi)有在電流零點(diǎn)分閘，存在發(fā)生電流截流并進(jìn)一步發(fā)展為過(guò)電壓的危險(xiǎn)。

2　基于MATLAB的仿真及應(yīng)用

2.1　仿真數(shù)據(jù)計(jì)算和仿真模型選擇

使用仿真軟件模擬法和合成實(shí)驗(yàn)法是現(xiàn)階段研究斷路器瞬態(tài)恢復(fù)電壓特性的兩種主要方法。目前使用的仿真軟件主要有EMTP（Electro-Magnetic Transient Program，電磁暫態(tài)程序）、MATLAB和PSCAD，使用最廣泛的是MATLAB／Simulink模型庫(kù)。本研究使用MATLAB中的Simulink建立一個(gè)單電源單母線單變壓器的簡(jiǎn)單系統(tǒng)，如圖1所示，發(fā)電機(jī)電壓為500kV，變壓器變比為1∶2，線路電壓為1 100 kV。假設(shè)系統(tǒng)為無(wú)窮大系統(tǒng)，分別在斷路器端部、離斷路器1 km處、不同位置的短線路和長(zhǎng)線路處，設(shè)置0.05 s時(shí)分別發(fā)生單相、兩相和三相接地短路故障，由于斷路器的延時(shí)特性，斷路器將在0.1 s動(dòng)作，斷開(kāi)觸頭，模擬開(kāi)斷故障過(guò)程。

線路參數(shù)：R1=0.008 1 Ω／km，L1=0.8 mH／km，C1=0.014 μF／km，線路額定電壓為 1 100 kV。

變壓器的額定容量SN=3 000 MVA，短路電壓百分?jǐn)?shù)10.5%，短路損耗ΔP0=155 kW，空載電流百分?jǐn)?shù)0.07%，變比kT=550／1 100，高低壓繞組均為Y形連接。

2.2　仿真建模

將進(jìn)行不同部位、不同類(lèi)型的接地短路故障仿真，給出的是發(fā)生近區(qū)故障（離斷路器1 km）、三相短路時(shí)的仿真模型。

2.3　仿真結(jié)果

根據(jù)仿真，結(jié)果如表1～表4所示。

表1　斷路器端部發(fā)生短路故障時(shí)的數(shù)據(jù)　kV

表1是在斷路器端部設(shè)置單相、兩相和三相接地短路故障時(shí)的TRV峰值，由數(shù)據(jù)可以看出當(dāng)發(fā)生三相短路故障時(shí)，TRV峰值最大。

表2　1 km處發(fā)生短路故障時(shí)的數(shù)據(jù)　kV

圖1　無(wú)窮大系統(tǒng)仿真模擬圖

表2是離斷路器1 km處設(shè)置單相、兩相和三相接地短路故障時(shí)的TRV峰值，由數(shù)據(jù)可以看出當(dāng)發(fā)生三相短路故障時(shí)，TRV峰值最大。

根據(jù)以上分析，可以發(fā)現(xiàn)在同一位置，當(dāng)發(fā)生三相短路故障時(shí)TRV峰值最大。以下在分析短線路和長(zhǎng)線路的故障時(shí)，只研究發(fā)生最嚴(yán)重的三相接地短路故障時(shí)的TRV峰值。

表3　短線路不同距離三相短路故障數(shù)據(jù)

表3是在離斷路器端部10 km、40 km和100 km處的短線路處，分別設(shè)置發(fā)生三相接地短路故障時(shí)的TRV峰值，由結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)在發(fā)生短線路故障時(shí)，離斷路器越遠(yuǎn)危害越大。

表4　長(zhǎng)線路不同距離三相短路故障數(shù)據(jù)

表4是在離斷路器端部300 km、500 km和1 000 km的長(zhǎng)線路處，分別設(shè)置發(fā)生三相短路故障時(shí)的TRV峰值，由數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)在發(fā)生長(zhǎng)線路故障時(shí)，離斷路器越近危害越大。

分析以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在斷路器端部發(fā)生三相短路故障時(shí)，TRV峰值和短路電流最大，即為最嚴(yán)重的故障情況。斷路器端部發(fā)生三相短路時(shí)，A相的TRV圖像及其局部放大如圖2所示，電流波形如圖3所示。

經(jīng)過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，在0.05 s發(fā)生三相接地短路故障，由于斷路器的延時(shí)性，斷路器在0.1 s斷開(kāi)故障，線路上出現(xiàn)大短路電流，短路電流發(fā)生振蕩衰減，直到短路電流衰減為0后，在斷路器兩端出現(xiàn)TRV。

圖2　開(kāi)斷斷路器端部短路故障時(shí)A相TRV圖

圖3　開(kāi)斷斷路器端部短路故障時(shí)A相電流波形圖

2.4　工程應(yīng)用

在給出的5種抑制斷路器TRV措施中，裝設(shè)分閘電阻以及金屬氧化物（MOV）限壓器的經(jīng)濟(jì)造價(jià)高，控制斷路器的分閘相角對(duì)操作機(jī)構(gòu)的速度要求提高，并存在進(jìn)一步發(fā)展為過(guò)電壓的危險(xiǎn)。而采用在線路中串聯(lián)電抗以及在串聯(lián)變壓器側(cè)并聯(lián)多組電容以及串聯(lián)電抗器兩側(cè)并聯(lián)電容器相結(jié)合的方式可以有效地抑制TRV。在模型中增加電容電抗后仿真結(jié)果表明在斷路器端部發(fā)生短路故障時(shí)TRV的峰值比沒(méi)有采取抑制措施之前降低了20%左右，如表5所示。

表5　斷路器端部發(fā)生短路故障時(shí)的數(shù)據(jù)　kV

采用在線路中串聯(lián)電抗以及在串聯(lián)變壓器側(cè)并聯(lián)多組電容以及串聯(lián)電抗器兩側(cè)并聯(lián)電容器相結(jié)合的方式的優(yōu)點(diǎn)在于從經(jīng)濟(jì)角度講電容器組以及電抗器組造價(jià)成本相對(duì)較低，從技術(shù)角度講電容器組以及電抗器組生產(chǎn)制造工藝較成熟且抑制效果明顯。宜在特高壓電網(wǎng)建設(shè)中廣泛推廣使用。

3　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)MATLAB／Simulink建立了一個(gè)單電源單母線單變壓器的特高壓交流輸電線路仿真模型，通過(guò)在斷路器端部、離斷路器1 km處設(shè)置單相、兩相和三相接地短路故障，分析仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)在同一位置發(fā)生三相短路故障時(shí)的TRV峰值和短路電流最大；在離斷路器端部10 km、40 km和100 km處的短線路，以及離斷路器端部300 km、500 km和1 000 km處的長(zhǎng)線路分別設(shè)置三相短路故障，分析仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)在斷路器端部發(fā)生三相短路時(shí)的TRV峰值最大，并給出斷路器端部發(fā)生三相短路時(shí)的TRV波形和短路電流波形。

經(jīng)過(guò)以上分析，在斷路器端部發(fā)生三相短路時(shí)，短路電流最大，導(dǎo)致燃弧也嚴(yán)重，且瞬態(tài)恢復(fù)電壓的幅值及上升率均超過(guò)了IEC 62271-100和DL／T 402—2016高壓交流斷路器的標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)斷路器的絕緣介質(zhì)、開(kāi)斷能力、耐壓能力等提出更高要求，必須對(duì)特高壓交流斷路器的TRV采取抑制措施，否則將嚴(yán)重危害輸電線路的安全運(yùn)行。

[1]何柏娜.特高壓線路單相接地故障開(kāi)斷后瞬態(tài)特性研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2011.

[2]裴振江.特高壓斷路器的開(kāi)斷容量的合成實(shí)驗(yàn)方法研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2008.

[3]吳松.Matlab在高壓合成試驗(yàn)瞬態(tài)恢復(fù)電壓中的仿真應(yīng)用[J].電氣技術(shù)，2010（9）：17-21.

[4]謝寅志.提高特高壓?jiǎn)蜗嘧詣?dòng)重合閘操作成功率的研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2013.

[5]周沛洪，谷定燮，戴敏，等.1 000 kV特高壓斷路器的瞬態(tài)恢復(fù)電壓[J].高電壓技術(shù)，2009，35（2）：211-217.

[6]林集明，顧霓鴻，王曉剛，等.特高壓斷路器的瞬態(tài)恢復(fù)電壓研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（1）：1-5.

[7]陳水明，許偉，王振興，等.500 kV限流電抗器對(duì)瞬態(tài)電壓的影響及限制措施[J].華北電力技術(shù)，2008（1）：11-15.

[8]陳水明，許偉，楊鵬程，等.500 kV變電站66kV側(cè)斷路器瞬態(tài)恢復(fù)電壓特征[J].高電壓技術(shù)，2009，35（6）：1301-1308.

[9]賈磊，蔡漢生，胡上茂，等.500 kV串聯(lián)電抗器對(duì)線路斷路器開(kāi)斷能力的影響研究[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2014，8（6）：7-11.

[10]鄭彬，項(xiàng)祖濤，班連庚，等.特高壓交流輸電線路加裝串聯(lián)補(bǔ)償裝置后斷路器開(kāi)斷暫態(tài)恢復(fù)電壓特性分析[J].高電壓技術(shù)，2013，39（3）：605-611.

[11]方冰，關(guān)永剛，申笑林.特高壓換流站交流濾波器斷路器恢復(fù)電壓特性研究[J].高壓電器，2015，51（8）：1-7.

[12]劉渝根，米宏偉，王建南，等.小容量發(fā)電機(jī)出口斷路器的瞬態(tài)恢復(fù)電壓研究[J].高電壓技術(shù)，2015，41（6）：1 943-1 950.