基于M A TLA B的特高压断路器瞬态恢复电压研究

郑艳彬 ，敬　涛 ，慕德凯 ，刘　鹏 ，王　琼

（1.山东送变电工程有限公司，山东　济南　250118；2.国网山东莒县供电公司，山东　日照　276500；3.国网山东省电力公司临沂供电公司，山东　临沂　276000；4.国网山东省电力公司枣庄供电公司，山东　枣庄　277100）

0　引言

在电力系统运行中，断路器作为保护装置发挥着至关重要的作用，断路器的安全决定了电力系统运行安全。恢复电压是断路器固有的一种性质，在断路器开断故障、燃弧熄灭后，出现在触头上的电压即为恢复电压。在时间尺度上，将恢复电压分为工频恢复电压和瞬态恢复电压。

触头间燃弧熄灭后，先出现的持续10 μs～10 ms的暂态电压称作瞬态恢复电压 （Transient Recovery Voltage，TRV）；暂态过程衰减完毕后，触头间出现的稳态电压称为工频恢复电压。因这段时间内触头间游离的质点还不少，而且介质强度不稳定，故瞬态恢复电压特性比工频恢复电压特性对断路器短路开断具有更大影响[1-2]。所以，TRV参数一直都是断路器的重要参数。TRV参数中，主要关注的是TRV的幅值和上升率 （rate of rise of recover voltage，RRRV），上升率也叫作陡度。

随着电压等级的提高，瞬态恢复电压的幅值也不断提高，尤其是特高压的TRV，其幅值将对断路器和气体绝缘开关的绝缘造成极大的影响，并影响断路器的开断能力，是断路器设计过程中重要参数之一[3-5]。

1　瞬态恢复电压

1.1　参数表示方法

TRV特性常用二参数法（T10和T30）和四参数法（T100、T60、OP1 和 OP2）表示。 电压等级低于 110 kV或者虽然高于110 kV但短路电流较小或者额定开断短路电流较小时，TRV近似于单频震荡波，此时选择二参数法表示。电压等级高于110 kV或者开断短路电流较大时，TRV是一种多频振荡波。这是因为高压电网是一个多电源、多出线的大容量网络，使其必然成为多频振荡的电源网络，产生多频TRV。此时的TRV很难用二参数法表示，只能使用四参数法表示。

1.2　影响因素

断路器开断的故障主要分为两类，短路故障和系统失步解列故障。典型的故障有断路器端部故障（BTF），变压器限制的短路故障（TLF）、短线路故障（SLF）、长线路短路故障（LLF）和失步解列故障（OP）。

波形和上升率（RRRV）。TRV取决于回路参数（电感、电容、电阻、波阻抗等）因素和断路器特性（电弧电压、弧后电导及断口并联的电容、电阻等）因素。一般情况下BTF产生指数波性质的TRV，TLF产生振荡波性质的TRV。故障产生的TRV严重程度按升序排列为：LLF、SLF、BTF、TLF。 OP 开断产生的 TRV一般都很严重，为了电力系统稳定运行，需要对失步解列开断点进行预先设定。

幅值。TRV的大小与系统结构、故障类型（短路故障、系统失步解列故障）、故障发生的时间及随后的断路器开断时间、开断时短路电流（包括交、直流分量）的大小和三相开断的时序等多种因素相关，需要统计分析，求出最大的 TRV[6]。

在接地故障类型中三相接地故障TRV最大，单相接地故障时最小。根据IEC高压交流断路器标准，在断路器开断短路电流的过程中，最严重的TRV出现在开断断路器端部三相短路故障（BTF）和出口1 km 左右处三相短路故障时[7]。

开断失步情况下的TRV与两个系统失步振荡后的相位有关。理论上最严重失步情况下的TRV出现时两个系统的电势相位差为180°左右。

1.3　限制TRV措施

目前主要的限制措施有：减小短路电流、断路器使用分闸电阻、低压侧并联电容器、装设金属氧化物（MOV）限压器方法、控制断路器分闸相角等。

减小短路电流。TRV的大小与短路电流有着密切的关系，一般短路电流越大，TRV的幅值越大，而且容易导致断路器第一次开断故障失败，引起电弧重燃，从而产生二次或者多次TRV。因此，限制短路电流法是一种有效抑制TRV幅值的方法。现在广泛使用的一种可行的方法是采用串联电抗器，国际上巴西、加拿大、日本等国已经应用了这项技术，目前我国在短路电流严重超标的地区使用了该项技术，另外一些工业应用领域，在配网中应用了这项技术[8]。但是线路在装设串联电抗器后，由于电抗器的影响，会使线路断路器TRV上升率（陡度）提高，同时会使短路电流直流分量的时间常数增大，从而导致电弧释放的能量增大，这些都可能影响断路器的正常开断。

分闸电阻的使用。现实经验表明分闸电阻是降低TRV的有效措施，日本特高压电网就是主要依靠断路器分闸电阻来限制相邻线路接地故障的操作过电压水平，也用来限制TRV的幅值和电压上升率，减轻断路器的负担[8]。但分闸电阻要求的热容量大、造价高，使断路器的结构更加复杂，不仅降低了工作时动作可靠性，还为维护检查工作加重了负担，且开断短路电流时电阻发热现象不能忽略。我国学者在分析使用分闸电阻的优缺点之后提出，在不使用分闸电阻的条件下，特高压试验示范工程断路器的瞬态恢复电压峰值及上升率均在IEC断路器标准扩充和我国1 000 kV断路器恢复电压电力行业标准值的允许范围内[6]。这一观点在淮南—皖南—浙北—沪西1 000 kV同塔双回线路输电工程的东线被采用，从而没有使用分闸电阻。所以断路器是否使用分闸电阻来限制TRV要具体问题具体分析。

并联电容器。并联电容器也是一种限制TRV的有效手段，它主要是起到限制TRV上升率的作用，如变压器侧并联一组电容可有效降低恢复电压的上升率[10-12]，串联电抗器两侧并联电容器也可降低瞬态恢复电压陡度[9]。

装设金属氧化物（MOV）限压器。金属氧化物能够很好地限制瞬态恢复电压的幅值，已经在420 kV土耳其等超高压输电网中得到使用，且效果显著，但仍然存在着金属氧化物吸收能量较大的经济问题，为解决该问题，不得不对隔离开关（ES）进行操作，因此这种方法会加大运行人员的工作难度，增加操作的失误率。

控制断路器分闸相角方法。通过合理控制分闸相位可以降低TRV的瞬态恢复特性，但是该方法对断路器操纵机构的动作速度要求很高，且若没有在电流零点分闸，存在发生电流截流并进一步发展为过电压的危险。

2　基于MATLAB的仿真及应用

2.1　仿真数据计算和仿真模型选择

使用仿真软件模拟法和合成实验法是现阶段研究断路器瞬态恢复电压特性的两种主要方法。目前使用的仿真软件主要有EMTP（Electro-Magnetic Transient Program，电磁暂态程序）、MATLAB和PSCAD，使用最广泛的是MATLAB／Simulink模型库。本研究使用MATLAB中的Simulink建立一个单电源单母线单变压器的简单系统，如图1所示，发电机电压为500kV，变压器变比为1∶2，线路电压为1 100 kV。假设系统为无穷大系统，分别在断路器端部、离断路器1 km处、不同位置的短线路和长线路处，设置0.05 s时分别发生单相、两相和三相接地短路故障，由于断路器的延时特性，断路器将在0.1 s动作，断开触头，模拟开断故障过程。

线路参数：R1=0.008 1 Ω／km，L1=0.8 mH／km，C1=0.014 μF／km，线路额定电压为 1 100 kV。

变压器的额定容量SN=3 000 MVA，短路电压百分数10.5%，短路损耗ΔP0=155 kW，空载电流百分数0.07%，变比kT=550／1 100，高低压绕组均为Y形连接。

2.2　仿真建模

将进行不同部位、不同类型的接地短路故障仿真，给出的是发生近区故障（离断路器1 km）、三相短路时的仿真模型。

2.3　仿真结果

根据仿真，结果如表1～表4所示。

表1　断路器端部发生短路故障时的数据　kV

表1是在断路器端部设置单相、两相和三相接地短路故障时的TRV峰值，由数据可以看出当发生三相短路故障时，TRV峰值最大。

表2　1 km处发生短路故障时的数据　kV

图1　无穷大系统仿真模拟图

表2是离断路器1 km处设置单相、两相和三相接地短路故障时的TRV峰值，由数据可以看出当发生三相短路故障时，TRV峰值最大。

根据以上分析，可以发现在同一位置，当发生三相短路故障时TRV峰值最大。以下在分析短线路和长线路的故障时，只研究发生最严重的三相接地短路故障时的TRV峰值。

表3　短线路不同距离三相短路故障数据

表3是在离断路器端部10 km、40 km和100 km处的短线路处，分别设置发生三相接地短路故障时的TRV峰值，由结果可以发现在发生短线路故障时，离断路器越远危害越大。

表4　长线路不同距离三相短路故障数据

表4是在离断路器端部300 km、500 km和1 000 km的长线路处，分别设置发生三相短路故障时的TRV峰值，由数据可以发现在发生长线路故障时，离断路器越近危害越大。

分析以上数据可以发现，在断路器端部发生三相短路故障时，TRV峰值和短路电流最大，即为最严重的故障情况。断路器端部发生三相短路时，A相的TRV图像及其局部放大如图2所示，电流波形如图3所示。

经过以上分析可以发现，在0.05 s发生三相接地短路故障，由于断路器的延时性，断路器在0.1 s断开故障，线路上出现大短路电流，短路电流发生振荡衰减，直到短路电流衰减为0后，在断路器两端出现TRV。

图2　开断断路器端部短路故障时A相TRV图

图3　开断断路器端部短路故障时A相电流波形图

2.4　工程应用

在给出的5种抑制断路器TRV措施中，装设分闸电阻以及金属氧化物（MOV）限压器的经济造价高，控制断路器的分闸相角对操作机构的速度要求提高，并存在进一步发展为过电压的危险。而采用在线路中串联电抗以及在串联变压器侧并联多组电容以及串联电抗器两侧并联电容器相结合的方式可以有效地抑制TRV。在模型中增加电容电抗后仿真结果表明在断路器端部发生短路故障时TRV的峰值比没有采取抑制措施之前降低了20%左右，如表5所示。

表5　断路器端部发生短路故障时的数据　kV

采用在线路中串联电抗以及在串联变压器侧并联多组电容以及串联电抗器两侧并联电容器相结合的方式的优点在于从经济角度讲电容器组以及电抗器组造价成本相对较低，从技术角度讲电容器组以及电抗器组生产制造工艺较成熟且抑制效果明显。宜在特高压电网建设中广泛推广使用。

3　结语

通过MATLAB／Simulink建立了一个单电源单母线单变压器的特高压交流输电线路仿真模型，通过在断路器端部、离断路器1 km处设置单相、两相和三相接地短路故障，分析仿真结果发现在同一位置发生三相短路故障时的TRV峰值和短路电流最大；在离断路器端部10 km、40 km和100 km处的短线路，以及离断路器端部300 km、500 km和1 000 km处的长线路分别设置三相短路故障，分析仿真结果发现在断路器端部发生三相短路时的TRV峰值最大，并给出断路器端部发生三相短路时的TRV波形和短路电流波形。

经过以上分析，在断路器端部发生三相短路时，短路电流最大，导致燃弧也严重，且瞬态恢复电压的幅值及上升率均超过了IEC 62271-100和DL／T 402—2016高压交流断路器的标准值，对断路器的绝缘介质、开断能力、耐压能力等提出更高要求，必须对特高压交流断路器的TRV采取抑制措施，否则将严重危害输电线路的安全运行。

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