1、第27卷第33期中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)V ol.27 No.33 Nov. 2007一種新的特高壓斷路器合成試驗(yàn)回路裴振江1,姚斯立2,何俊佳1,葉會(huì)生3(1.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,湖北省武漢市 430074;2.西安高壓電器研究所有限責(zé)任公司,陜西省西安市 710077;3.湖南電力試驗(yàn)研究院,湖南省長沙市 410007A New Synthetic Test Circuit for UHV Circuit BreakersPEI Zhen-jiang1, YAO Si-li2, HE Jun-jia1,YE Hui-sheng3(1. College of Electrical &am

2、p; Electronics Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, HubeiProvince, China; 2. Xian High V oltage Apparatus Research Institute, Xian 710077, Shaanxi Province, China;3. Hunan Electric Power Testing and Research Institute, Changsha 410007, Hunan Province, ChinaABSTRA

3、CT: Research of test circuit for UHV circuit breakers is important for the development of UHV transmission technology. According to the synthetic test principle, a new synthetic test circuit was proposed. The detailed topology of this test circuit was depicted, and the principle of this circuit duri

4、ng interrupting process was described. Based on the Mayr arc equation, an arc resistance model used in PSCAD simulation was fabricated. The interrupting test using the proposed circuit under T100 mode was simulated. The current and voltage waveforms during test were obtained. The di/dt at the curren

5、t zero point and the transient recovery voltage (TRV after arc quench were analyzed. Comparison of this test circuit with enhanced parallel injection circuit (EPIC proposed by ABB and International Electrotechnical Commission (IEC standard was carried out. The results show that this synthetic test c

6、ircuit is able to meet the requirements of UHV circuit breaker test, and has high enough equivalence.KEY WORDS: UHV circuit breaker; synthetic test circuit; Mayr arc model; transient recovery voltage摘要:特高壓斷路器試驗(yàn)方法的研究是特高壓輸電工程發(fā)展的基礎(chǔ)。該文根據(jù)合成試驗(yàn)回路的基本原理,提出了一種新的適用于特高壓斷路器大容量試驗(yàn)的新型合成試驗(yàn)回路。給出了該試驗(yàn)回路的詳細(xì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),介紹了回路的工作

7、原理。根據(jù)描述開斷電弧特性的麥依爾(Mayr方程,建立參數(shù)化的PSCAD電弧電阻模型。在此基礎(chǔ)上,對(duì)回路的開斷試驗(yàn)過程進(jìn)行仿真,得到了T100試驗(yàn)時(shí)的電流電壓波形。對(duì)暫態(tài)恢復(fù)電壓、電流過零前的變化率等進(jìn)行分析,并與ABB的增強(qiáng)型并聯(lián)引入回路(EPIC回路和IEC試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。結(jié)果表明,該回路可以滿足特高壓斷路器的開斷試驗(yàn)要求,并具有足夠高的試驗(yàn)等價(jià)性。關(guān)鍵詞:特高壓斷路器;合成試驗(yàn)回路;麥依爾電弧模型;暫態(tài)恢復(fù)電壓0 引言特高壓電網(wǎng)(1000kV級(jí)已成為我國“十一五”電網(wǎng)建設(shè)的重點(diǎn),相應(yīng)地,特高壓電器設(shè)備的研制和試驗(yàn)技術(shù)研究,尤其是特高壓斷路器的開斷能力試驗(yàn)方法研究,也成為日益關(guān)注的對(duì)象。

8、由于斷路器開斷過程的復(fù)雜性,現(xiàn)階段尚不能完全依靠計(jì)算來保證斷路器的開斷性能。斷路器的實(shí)際開斷能力目前還只能通過型式試驗(yàn)來進(jìn)行考核。但我國國標(biāo)目前還沒有針對(duì)特高壓斷路器的相關(guān)型式試驗(yàn)規(guī)定,使特高壓斷路器的大容量試驗(yàn)缺乏可靠的依據(jù)。為此,有必要開發(fā)針對(duì)特高壓大容量斷路器的新試驗(yàn)方法并對(duì)其等價(jià)性進(jìn)行檢驗(yàn)。高壓斷路器的合成試驗(yàn)方法,在國外已經(jīng)有較多研究。在傳統(tǒng)的合成試驗(yàn)回路的基礎(chǔ)上,W. A. van der Linden等人1提出一種利用人工形成線提供暫態(tài)恢復(fù)電壓(transient recovery voltage,TRV的試驗(yàn)方法;G. St-Jean等人2對(duì)人工形成線的波形進(jìn)行了研究;S. Y

9、amashita3等人于1989年提出一種三相共箱結(jié)構(gòu)斷路器的合成試驗(yàn)回路;D. Dufournet等人4于2000年提出了適用于三相短路開斷能力試驗(yàn)的合成回路;L. van der Sluis5和G. Aldrovandi6在1992年的CIGRE報(bào)告中對(duì)合成試驗(yàn)進(jìn)行了專題回顧和總結(jié);Y. Kurozawa等人7在1989年提出了適用于特高壓斷路器的四參數(shù)恢復(fù)電壓試驗(yàn)回路;ABB公司的L. van der Sluis和B. L. Sheng等對(duì)合成試驗(yàn)回路進(jìn)行66 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)第27卷了較多的研究8-13,并在1997年提出了一種適用于特高壓斷路器的新合成試驗(yàn)回路EPIC回路14。除了用

10、于高壓斷路器的開斷能力試驗(yàn)之外,合成試驗(yàn)回路也用于直流輸電系統(tǒng)晶閘管的容量試驗(yàn)15-20。目前國內(nèi)的西高所大容量實(shí)驗(yàn)室、北京電科院開關(guān)所、沈陽虎石臺(tái)實(shí)驗(yàn)站等所采用的仍舊是傳統(tǒng)的Weil-Dobke合成試驗(yàn)回路。20世紀(jì)80年代,王仁甫對(duì)四參數(shù)恢復(fù)電壓的研究21是當(dāng)時(shí)國內(nèi)較有代表性的工作。江文泉等21提出了一種電流畸變相對(duì)較小的合成試驗(yàn)回路,其他的工作主要集中于合成試驗(yàn)的控制、測(cè)量等方面22-25,圍繞試驗(yàn)回路本身的研究極少。由于傳統(tǒng)的Weil-Dobke在對(duì)特高壓斷路器進(jìn)行開斷試驗(yàn)時(shí)在引入電流和恢復(fù)電壓之間存在一定的矛盾,難以滿足特高壓斷路器大容量試驗(yàn)的要求。因此開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新試驗(yàn)回

11、路就成為開關(guān)電器試驗(yàn)人員的重要任務(wù)。本文根據(jù)合成回路試驗(yàn)原理,提出了一種新的適用于特高壓斷路器開斷能力試驗(yàn)的合成試驗(yàn)回路。采用PSCAD建立了電弧模型,并對(duì)該試驗(yàn)回路進(jìn)行了仿真計(jì)算,得到了T100試驗(yàn)時(shí)的電流電壓波形,并對(duì)TRV、電流過零前的變化率等進(jìn)行了分析。最后,通過與ABB的EPIC回路和IEC試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的比較,驗(yàn)證了該試驗(yàn)回路的等價(jià)性。1 回路結(jié)構(gòu)和工作原理1.1 回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)回路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1。它仍舊是由2部分所組成,其中左邊為電流源部分,右邊為電壓源部分。與傳統(tǒng)的合成試驗(yàn)回路相比,其不同點(diǎn)在于其電壓源由2部分組成,其中,下標(biāo)為1的電壓源通過電流引入,形成TRV的第1部分。經(jīng)過一定時(shí)

12、間,G2觸發(fā)導(dǎo)通后,下標(biāo)為2的電壓源通過電壓引入,形成恢復(fù)電壓的第2部分。這2部分回路的調(diào)頻支路通過適當(dāng)?shù)膮?shù)匹配即可以較好地保障電 Cs1 LU圖1試驗(yàn)回路的原理結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Priciple topology of the new synthetic test circuit 流引入等價(jià)性,并能夠等價(jià)模擬斷路器開斷過程中的3個(gè)階段,即大電流階段、相互作用階段、高電壓階段的特點(diǎn),2部分恢復(fù)電壓的疊加形成滿足試驗(yàn)要求的TRV。1.2 回路工作原理在試驗(yàn)開始前,輔助斷路器AB1和試品斷路器SP、輔助斷路器AB2均處于閉合狀態(tài),短路電流I AB1流過SP。在I AB1降至0前800µ

13、;s(m1時(shí)刻時(shí),間隙G1觸發(fā),流過SP的電流I t是主電流I AB1和引入電流I Cs1之和。在短路電流I AB1自然的電流零點(diǎn)(m2,AB1斷開。引入電流I Cs1繼續(xù)流過AB2和SP。在I t的電流零點(diǎn)(m3,SP、AB2切除,G1仍舊導(dǎo)通。主電容元件C s1在m3到m4的時(shí)間通過間隙G1與R1、C1構(gòu)成振蕩回路。當(dāng)I1快達(dá)到其峰值(m4時(shí),間隙G2觸發(fā),振蕩電流I Cs2流過分支C s2-G2-L s2-C d和C s2-G2-L s2-C2-R2。當(dāng)I cs1到達(dá)零點(diǎn)間隙G1截止。電容C1上的剩余電壓和C d上的振蕩電壓之和形成了第2階段的即將發(fā)生的TRV(m5后。G1和G2引入的2

14、段恢復(fù)電壓組成作用于試品斷路器兩端的四參數(shù)恢復(fù)電壓。2 電壓源回路參數(shù)的確定2.1 C s1和L s1的確定假設(shè)在I AB1電流降至0之前800µs時(shí),G1觸發(fā)引入電流。則第1 套電壓回路振蕩周期為611313480010fT=××Hz (1 考慮試品T100試驗(yàn)方式(即63 kA,要保證通過試品的電流過零時(shí)刻的d i/d t不變,則引入電流I Cs1峰值0Cs1I應(yīng)滿足 ff=(2 式中f0為工頻頻率50 Hz,由式(2可求得電流I Cs1峰值0Cs1I應(yīng)為14.23 kA。確定C s1充電電壓U Cs1為790kV,則f=(301Cs112cssUIfL=(4

15、由式(3和(4可得到C s1電容值為8.9µF;L s1電感值為29.26mH。第33期 裴振江等: 一種新的特高壓斷路器合成試驗(yàn)回路 672.2 C 1的確定根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),800kV-T100的t 1時(shí)間為318 µs ,假設(shè)試品恢復(fù)電壓TRV 第1次振蕩頻率f v 為11786 Hz 431810v f T =××根據(jù)v f =,其中1s1s11C C C C C =+,則可 求得C 1電容值為1.68 µF 。2.3 R 1的確定當(dāng)R 1較小時(shí),TRV 值在第1峰值比較大;當(dāng)R 1較大時(shí),阻尼效果顯著,緩和I Cs1下降速度。本文選取R

16、1阻值為150 。2.4 第2套電壓回路參數(shù)確定由于第2套電壓回路元件參數(shù)主要影響到TRV 在t 1后振蕩頻率,因此可借鑒EPIC 14的設(shè)計(jì),選擇與之相同的回路參數(shù)即可。通過改變C s2上的充電電壓U Cs2,可調(diào)節(jié)TRV 峰值。在此選取U Cs2充電電壓為460 kV 。將試驗(yàn)回路參數(shù)匯總?cè)绫?。表1 試驗(yàn)回路元件參數(shù)Tab. 1 Parameters of the test circuit電容/µF電感/mH 電阻/ 電容器充電電壓/kV C s1 C s2C 1C 2C dL s1L s2R 1R 2U Cs1U Cs2 8.9 3.5 1.68 0.87 2.61 29.2

17、6 65 150 288 7904603 回路開斷過程的仿真分析3.1 Mayr 電弧模型要采用仿真工具對(duì)斷路器開斷過程進(jìn)行仿真,首先須建立能描述電弧阻抗變化的電弧電阻模型。開斷電弧現(xiàn)象是一個(gè)非常復(fù)雜的物理現(xiàn)象,其中涉及到電、磁、機(jī)械、熱、動(dòng)力學(xué)等多個(gè)相互耦合的物理過程,因此要給出一個(gè)非常準(zhǔn)確的電弧阻抗模型,目前還無法實(shí)現(xiàn),這也是要借助型式試驗(yàn)對(duì)斷路器的實(shí)際開斷能力進(jìn)行考核的主要原因。 不過,在長期對(duì)開斷電弧特性進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上,已經(jīng)建立了一個(gè)能夠在一定程度上描述電弧特性的物理數(shù)學(xué)模型。比較有代表性的是麥依爾(Mayr模型。Mayr 在考慮電弧模型時(shí)假定:(1弧柱為一直徑不變的圓柱體,其中溫度

18、隨離開軸線距離的增大而降低。(2只研究長弧情況,即認(rèn)為電弧電壓等于弧柱壓降,不計(jì)沿軸向和從電極散出的熱量。(3弧柱功率的散發(fā)主要是由于傳導(dǎo)和一部分輻射,不考慮對(duì)流,從電弧間隙散發(fā)的能量是常數(shù)。(4不考慮弧柱中氣體的熱物理性質(zhì)隨溫度變化的關(guān)系。(5弧柱中的熱游離情況,可按沙哈方程式確定。根據(jù)以上假設(shè)得到描述電弧電導(dǎo)的模型方程為loss 1d 1(1d M g uig t P = (5 式中:g 為電弧電導(dǎo);u 為電弧電壓;i 為電弧電流;M 和P loss 即為Mayr 方程中所定義的電弧時(shí)間常數(shù)和耗散功率。3.2 電弧模型的參數(shù)化由上述Mayr 電弧模型方程式(5可得到loss1(1eMei

19、P g C = (6其中C 為電弧模型g 的初始值。結(jié)合式(6,采用PSCAD 建立電弧模型,如圖2所示,將其作為一個(gè)由u 、i 變量控制的可控電阻看待。圖3所示為C 取2 000 S ,P los s 取90.5 kW 時(shí)計(jì)算得到的電弧電阻變化曲線。通過調(diào)整電弧時(shí)間常數(shù)的大小,可以改變其電阻變化速率。在此,參照文14給出的電弧電阻測(cè)量結(jié)果,取電弧時(shí)間常數(shù)為6 µs 。將電弧電阻模型代入圖1所示的試驗(yàn)回路中,采用PSCAD 對(duì)回路進(jìn)行仿真,得到開斷過程中的電壓、電流變化如圖4所示。*ND ND N D D FD N ND DCT I M E6.0×100.06+ 1.00.

20、090 52 0000e *1.0Z Rg 1sTu耗散功率P loss時(shí)間常數(shù)M圖2 電弧仿真模型Fig. 2 Arc simulation model in PSCAD8 0006 0004 0002 000 00204060 80 100 R / t /µs圖3 開斷電弧電阻變化(電弧時(shí)間常數(shù)M =6 µs Fig. 3 Increase of arc resistance during circuitcurrent interrupting with M =6 µs68中 國 電 機(jī) 工 程 學(xué) 報(bào) 第27卷0.0 1.0 2.03.04.05.0I A

21、B 1/k A6 4 2 0 m 1 m 2 m 3m 4 m 5I C s 1/k A16 8 0 I t /k A 12 8 0 4 I 1/k A 0 2 4 I C s 2/k A2 0 2U /k V 0 400 800 1 200t /ms圖4 開斷過程中的電流和電壓波形Fig. 4 Current and voltage waveforms before andafter current zero point4 回路等價(jià)性分析4.1 TRV 參數(shù)按上述參數(shù)構(gòu)建計(jì)算模型,TRV 波形計(jì)算結(jié)果如圖5所示。其中:代表IEC 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)800 kV 斷路器開斷試驗(yàn)TRV 規(guī)定的包絡(luò)線;為T

22、RV 波形;為實(shí)際TRV 的包絡(luò)線。可見按照上述參數(shù)配置設(shè)計(jì)的回路,其TRV 可以滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。將上述計(jì)算得到的TRV 參數(shù)與ABB 所提的EPIC 合成試驗(yàn)回路及IEC 標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的TRV 進(jìn)行對(duì)比,得到表2。U /k V1 200 800 400 01 000600 2002.2 2.4 2.6 2.83.0 3.63.2 3.4 t /ms圖5 TRV 波形Fig. 5 TRV waveform after current interrupting 表2 試驗(yàn)回路TRV 參數(shù)比較Tab. 2 Comparison of TRV parameters withEPIC and IEC

23、 Standards試驗(yàn)回路類別U 1/kV t 1/µs U 2/kV t 2/µs 三回路 980 250 1 205 1 250EPIC 回路720 300 1 268 1 804IEC 800 kV 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值6373181 1891 2724.2 電流變化率由于在參數(shù)設(shè)置上,保證了引入電流的頻率和峰值與主電流的頻率和幅值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,因此可以保證電流I t 過零前的電流衰減率與實(shí)際開斷過程的一致。4.3 電容器儲(chǔ)能對(duì)回路各儲(chǔ)能電容器的儲(chǔ)能量進(jìn)行計(jì)算得到表3。將其與EPIC 回路進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn),在提供更符合標(biāo)準(zhǔn)要求的TRV 的情況下,總的電容器儲(chǔ)能與EPIC

24、 回路基本相等。表3 各試驗(yàn)回路電容器儲(chǔ)能比較Tab. 3 Energy storage of capacitors for differenttest circuits試驗(yàn)回路類別C s1/µF C s2/µFC 1/µF C 2/µF C d /µF 總儲(chǔ)能/MJ 三回路 2.5 0.370.52 0.07 0.463.920.86 0.72 0.11 4.025 結(jié)論本文基于合成試驗(yàn)的基本原理,提出了一種適用于特高壓斷路器大容量試驗(yàn)的新合成試驗(yàn)回路。采用PSCAD 對(duì)回路進(jìn)行了仿真計(jì)算,并對(duì)開斷過程中的電壓、電流波形進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,

25、該回路能夠滿足特高壓斷路器大容量合成試驗(yàn)的要求并具有足夠的等價(jià)性。同時(shí),該試驗(yàn)回路采用雙電源形成較好TRV 電壓波形,總的電容器儲(chǔ)能與EPIC 回路基本相等。參考文獻(xiàn)1 Linden W A van der ,Sluis L van der .A new artificial line for testinghigh-voltage circuit breakersJ.IEEE Trans. on Power Apparatus and System ,1983,102(4:797-803.2 Jean G S ,Landry M .Comparison of waveshape qualit

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