一种新的特高压断路器合成试验回路

1、第27卷第33期中国电机工程学报V ol.27 No.33 Nov. 20072007年11月Proceedings of the CSEE 2007 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号:0258-8013 (2007 33-0065-05 中图分类号:TM 51 文献标识码:A 学科分类号:47040一种新的特高压断路器合成试验回路裴振江1,姚斯立2,何俊佳1,叶会生3(1.华中科技大学电气与电子工程学院,湖北省武汉市 430074;2.西安高压电器研究所有限责任公司,陕西省西安市 710077;3.湖南电力试验研究院,湖南省长沙市 410007A New Synthet

2、ic Test Circuit for UHV Circuit BreakersPEI Zhen-jiang1, YAO Si-li2, HE Jun-jia1,YE Hui-sheng3(1. College of Electrical & Electronics Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, HubeiProvince, China; 2. Xian High V oltage Apparatus Research Institute, Xian 710077, Shaan

3、xi Province, China;3. Hunan Electric Power Testing and Research Institute, Changsha 410007, Hunan Province, ChinaABSTRACT: 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 tes

4、t circuit was proposed. The detailed topology of this test circuit was depicted, and the principle of this circuit during 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 circ

5、uit under T100 mode was simulated. The current and voltage waveforms during test were obtained. The di/dt at the current 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 a

6、nd International Electrotechnical Commission (IEC standard was carried out. The results show that this synthetic test circuit 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; transien

7、t recovery voltage摘要:特高压断路器试验方法的研究是特高压输电工程发展的基础。该文根据合成试验回路的基本原理,提出了一种新的适用于特高压断路器大容量试验的新型合成试验回路。给出了该试验回路的详细拓扑结构,介绍了回路的工作原理。根据描述开断电弧特性的麦依尔(Mayr方程,建立参数化的PSCAD电弧电阻模型。在此基础上,对回路的开断试验过程进行仿真,得到了T100试验时的电流电压波形。对暂态恢复电压、电流过零前的变化率等进行分析,并与ABB的增强型并联引入回路(EPIC回路和IEC试验标准进行比较。结果表明,该回路可以满足特高压断路器的开断试验要求,并具有足够高的试验等价性。关键

8、词:特高压断路器;合成试验回路;麦依尔电弧模型;暂态恢复电压0 引言特高压电网(1000kV级已成为我国“十一五”电网建设的重点,相应地,特高压电器设备的研制和试验技术研究,尤其是特高压断路器的开断能力试验方法研究,也成为日益关注的对象。由于断路器开断过程的复杂性,现阶段尚不能完全依靠计算来保证断路器的开断性能。断路器的实际开断能力目前还只能通过型式试验来进行考核。但我国国标目前还没有针对特高压断路器的相关型式试验规定,使特高压断路器的大容量试验缺乏可靠的依据。为此,有必要开发针对特高压大容量断路器的新试验方法并对其等价性进行检验。高压断路器的合成试验方法,在国外已经有较多研究。在传统的合成试

9、验回路的基础上,W. A. van der Linden等人1提出一种利用人工形成线提供暂态恢复电压(transient recovery voltage,TRV的试验方法;G. St-Jean等人2对人工形成线的波形进行了研究;S. Yamashita3等人于1989年提出一种三相共箱结构断路器的合成试验回路;D. Dufournet等人4于2000年提出了适用于三相短路开断能力试验的合成回路;L. van der Sluis5和G. Aldrovandi6在1992年的CIGRE报告中对合成试验进行了专题回顾和总结;Y. Kurozawa等人7在1989年提出了适用于特高压断路器的四参数恢

10、复电压试验回路;ABB公司的L. van der Sluis和B. L. Sheng等对合成试验回路进行66 中国电机工程学报第27卷了较多的研究8-13,并在1997年提出了一种适用于特高压断路器的新合成试验回路EPIC回路14。除了用于高压断路器的开断能力试验之外,合成试验回路也用于直流输电系统晶闸管的容量试验15-20。目前国内的西高所大容量实验室、北京电科院开关所、沈阳虎石台实验站等所采用的仍旧是传统的Weil-Dobke合成试验回路。20世纪80年代,王仁甫对四参数恢复电压的研究21是当时国内较有代表性的工作。江文泉等21提出了一种电流畸变相对较小的合成试验回路,其他的工作主要集中于

11、合成试验的控制、测量等方面22-25,围绕试验回路本身的研究极少。由于传统的Weil-Dobke在对特高压断路器进行开断试验时在引入电流和恢复电压之间存在一定的矛盾,难以满足特高压断路器大容量试验的要求。因此开发具有自主知识产权的新试验回路就成为开关电器试验人员的重要任务。本文根据合成回路试验原理,提出了一种新的适用于特高压断路器开断能力试验的合成试验回路。采用PSCAD建立了电弧模型,并对该试验回路进行了仿真计算,得到了T100试验时的电流电压波形,并对TRV、电流过零前的变化率等进行了分析。最后,通过与ABB的EPIC回路和IEC试验标准的比较,验证了该试验回路的等价性。1 回路结构和工作

12、原理1.1 回路拓扑结构回路的拓扑结构如图1。它仍旧是由2部分所组成,其中左边为电流源部分,右边为电压源部分。与传统的合成试验回路相比,其不同点在于其电压源由2部分组成,其中,下标为1的电压源通过电流引入,形成TRV的第1部分。经过一定时间,G2触发导通后,下标为2的电压源通过电压引入,形成恢复电压的第2部分。这2部分回路的调频支路通过适当的参数匹配即可以较好地保障电 Cs1 LU图1试验回路的原理结构图Fig. 1 Priciple topology of the new synthetic test circuit 流引入等价性,并能够等价模拟断路器开断过程中的3个阶段,即大电流阶段、相互

13、作用阶段、高电压阶段的特点,2部分恢复电压的叠加形成满足试验要求的TRV。1.2 回路工作原理在试验开始前,辅助断路器AB1和试品断路器SP、辅助断路器AB2均处于闭合状态,短路电流I AB1流过SP。在I AB1降至0前800s(m1时刻时,间隙G1触发,流过SP的电流I t是主电流I AB1和引入电流I Cs1之和。在短路电流I AB1自然的电流零点(m2,AB1断开。引入电流I Cs1继续流过AB2和SP。在I t的电流零点(m3,SP、AB2切除,G1仍旧导通。主电容元件C s1在m3到m4的时间通过间隙G1与R1、C1构成振荡回路。当I1快达到其峰值(m4时,间隙G2触发,振荡电流I

14、 Cs2流过分支C s2-G2-L s2-C d和C s2-G2-L s2-C2-R2。当I cs1到达零点间隙G1截止。电容C1上的剩余电压和C d上的振荡电压之和形成了第2阶段的即将发生的TRV(m5后。G1和G2引入的2段恢复电压组成作用于试品断路器两端的四参数恢复电压。2 电压源回路参数的确定2.1 C s1和L s1的确定假设在I AB1电流降至0之前800s时,G1触发引入电流。则第1 套电压回路振荡周期为611313480010fT=Hz (1 考虑试品T100试验方式(即63 kA,要保证通过试品的电流过零时刻的d i/d t不变,则引入电流I Cs1峰值0Cs1I应满足 ff

15、=(2 式中f0为工频频率50 Hz,由式(2可求得电流I Cs1峰值0Cs1I应为14.23 kA。确定C s1充电电压U Cs1为790kV,则f=(301Cs112cssUIfL=(4由式(3和(4可得到C s1电容值为8.9F;L s1电感值为29.26mH。第33期 裴振江等: 一种新的特高压断路器合成试验回路 672.2 C 1的确定根据试验标准,800kV-T100的t 1时间为318 s ,假设试品恢复电压TRV 第1次振荡频率f v 为11786 Hz 431810v f T =根据v f =,其中1s1s11C C C C C =+,则可 求得C 1电容值为1.68 F 。

16、2.3 R 1的确定当R 1较小时,TRV 值在第1峰值比较大;当R 1较大时,阻尼效果显著,缓和I Cs1下降速度。本文选取R 1阻值为150 。2.4 第2套电压回路参数确定由于第2套电压回路元件参数主要影响到TRV 在t 1后振荡频率,因此可借鉴EPIC 14的设计,选择与之相同的回路参数即可。通过改变C s2上的充电电压U Cs2,可调节TRV 峰值。在此选取U Cs2充电电压为460 kV 。将试验回路参数汇总如表1。表1 试验回路元件参数Tab. 1 Parameters of the test circuit电容/F电感/mH 电阻/ 电容器充电电压/kV C s1 C s2C

17、1C 2C dL s1L s2R 1R 2U Cs1U Cs2 8.9 3.5 1.68 0.87 2.61 29.26 65 150 288 7904603 回路开断过程的仿真分析3.1 Mayr 电弧模型要采用仿真工具对断路器开断过程进行仿真,首先须建立能描述电弧阻抗变化的电弧电阻模型。开断电弧现象是一个非常复杂的物理现象,其中涉及到电、磁、机械、热、动力学等多个相互耦合的物理过程,因此要给出一个非常准确的电弧阻抗模型,目前还无法实现,这也是要借助型式试验对断路器的实际开断能力进行考核的主要原因。 不过,在长期对开断电弧特性进行研究的基础上,已经建立了一个能够在一定程度上描述电弧特性的物理

18、数学模型。比较有代表性的是麦依尔(Mayr模型。Mayr 在考虑电弧模型时假定:(1弧柱为一直径不变的圆柱体,其中温度随离开轴线距离的增大而降低。(2只研究长弧情况,即认为电弧电压等于弧柱压降,不计沿轴向和从电极散出的热量。(3弧柱功率的散发主要是由于传导和一部分辐射,不考虑对流,从电弧间隙散发的能量是常数。(4不考虑弧柱中气体的热物理性质随温度变化的关系。(5弧柱中的热游离情况,可按沙哈方程式确定。根据以上假设得到描述电弧电导的模型方程为loss 1d 1(1d M g uig t P = (5 式中:g 为电弧电导;u 为电弧电压;i 为电弧电流;M 和P loss 即为Mayr 方程中所

19、定义的电弧时间常数和耗散功率。3.2 电弧模型的参数化由上述Mayr 电弧模型方程式(5可得到loss1(1eMei P g C = (6其中C 为电弧模型g 的初始值。结合式(6,采用PSCAD 建立电弧模型,如图2所示,将其作为一个由u 、i 变量控制的可控电阻看待。图3所示为C 取2 000 S ,P los s 取90.5 kW 时计算得到的电弧电阻变化曲线。通过调整电弧时间常数的大小,可以改变其电阻变化速率。在此,参照文14给出的电弧电阻测量结果,取电弧时间常数为6 s 。将电弧电阻模型代入图1所示的试验回路中,采用PSCAD 对回路进行仿真,得到开断过程中的电压、电流变化如图4所示

20、。*ND ND N D D FD N ND DCT I M E6.0100.06+ 1.00.090 52 0000e *1.0Z Rg 1sTu耗散功率P loss时间常数M图2 电弧仿真模型Fig. 2 Arc simulation model in PSCAD8 0006 0004 0002 000 00204060 80 100 R / t /s图3 开断电弧电阻变化(电弧时间常数M =6 s Fig. 3 Increase of arc resistance during circuitcurrent interrupting with M =6 s68中 国 电 机 工 程 学 报

21、 第27卷0.0 1.0 2.03.04.05.0I A 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图4 开断过程中的电流和电压波形Fig. 4 Current and voltage waveforms before andafter current zero point4 回路等价性分析4.1 TRV 参数按上述参数构建计算模型,TRV 波形计算结果如图5所示。其中:代表IEC 标准

22、中对800 kV 断路器开断试验TRV 规定的包络线;为TRV 波形;为实际TRV 的包络线。可见按照上述参数配置设计的回路,其TRV 可以满足标准规定的要求。将上述计算得到的TRV 参数与ABB 所提的EPIC 合成试验回路及IEC 标准所规定的TRV 进行对比,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图5 TRV 波形Fig. 5 TRV waveform after current interrupting 表2 试验回路TRV 参数比较Tab. 2 Comparison of TR

23、V parameters withEPIC and IEC Standards试验回路类别U 1/kV t 1/s U 2/kV t 2/s 三回路 980 250 1 205 1 250EPIC 回路720 300 1 268 1 804IEC 800 kV 试验标准规定值6373181 1891 2724.2 电流变化率由于在参数设置上,保证了引入电流的频率和峰值与主电流的频率和幅值之间的对应关系,因此可以保证电流I t 过零前的电流衰减率与实际开断过程的一致。4.3 电容器储能对回路各储能电容器的储能量进行计算得到表3。将其与EPIC 回路进行比较可以发现,在提供更符合标准要求的TRV

24、的情况下,总的电容器储能与EPIC 回路基本相等。表3 各试验回路电容器储能比较Tab. 3 Energy storage of capacitors for differenttest circuits试验回路类别C s1/F C s2/FC 1/F C 2/F C d /F 总储能/MJ 三回路 2.5 0.370.52 0.07 0.463.92EPIC 回路 1.720.610.86 0.72 0.11 4.025 结论本文基于合成试验的基本原理,提出了一种适用于特高压断路器大容量试验的新合成试验回路。采用PSCAD 对回路进行了仿真计算,并对开断过程中的电压、电流波形进行了分析。结果

25、表明,该回路能够满足特高压断路器大容量合成试验的要求并具有足够的等价性。同时,该试验回路采用双电源形成较好TRV 电压波形,总的电容器储能与EPIC 回路基本相等。参考文献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 qua

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