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西安交通大學科研人員提出變阻抗變壓器短路電流首峰值的限制方法
發布日期：2022-03-07 瀏覽次數：3148
電力設備電氣絕緣國家重點實驗室（西安交通大學）、國網寧夏電力有限公司的研究人員馬奎、王曙鴻、姚曉飛，在2021年《電工技術學報》增刊2上撰文，研究了110kV變阻抗變壓器短路電流首峰值限制方法。發生短路時，可通過人工過零回路在短路電流上升階段開斷快速開關，使短路電流流過與高壓繞組串聯的內置限流電抗器從而被限制。
隨著電網的快速發展，短路電流超標問題日益嚴峻，對電網及設備安全運行構成嚴重威脅，迫切需要研究性能優良、經濟合理、運行可靠的電網限流技術。故障限流器作為一種電網限流技術近年來在高壓電網進行了試點應用。由于其可靠性低、制造及運維成本高、占地面積大等問題，導致應用范圍受限，尚未在高壓電網中規模化推廣應用。
為此，將故障限流器與變壓器進行集成化設計，形成兼具故障限流器功能和變壓器功能的變阻抗變壓器（Variable Impedance Transformer, VIT）。正常運行時，變阻抗變壓器呈低阻抗狀態，運行損耗小，出口電壓隨負荷波動小；當系統發生短路故障時，通過快速開關瞬間將變阻抗變壓器轉換至高阻抗狀態，從而限制短路電流。
目前，110kV-63MVA變阻抗變壓器樣機已研制成功，通過掛網運行和現場試驗，限流效果和運行穩定性得到了驗證。變阻抗變壓器通過快速開關分合實現阻抗轉換，受開斷機理限制，燃弧只能在短路電流首次過零時被真正切斷，因此變阻抗變壓器不能限制短路電流首峰值，從而可能導致變壓器、母線等設備被損壞。
針對上述問題，電力設備電氣絕緣國家重點實驗室（西安交通大學）、國網寧夏電力有限公司的研究人員在有關方案的基礎上，提出了在短路電流上升階段通過人工過零回路開斷快速開關，使短路電流轉移至與高壓繞組串聯的內置限流電抗器，從而限制短路電流首峰值的方法。
他們首先算了變壓器短路電流首峰值隨短路瞬間電壓相位的變化關系，確定了限流需求。然后，仿真分析了人工過零回路作用下短路電流的轉移過程，對短路電流轉移至限流電抗器后繼續增長的原因進行了分析，研究解決措施。最后，設計了模擬變壓器短路的大電流試驗回路，分析采用試驗回路替代實際變壓器短路驗證限流方案的可行性。
研究結果表明，基于已有快速真空開關和短路電流識別算法的特點，加入人工過零回路后，將變阻抗變壓器短路電流首峰值限制到與快速開關保持分閘狀態相同的水平是可行的，且僅當短路瞬間電壓相位在[-180°, -120°]、[-60°, 60°]及[120°, 180°]三個區間時才需啟動人工過零回路進行限流。為實現限流目標，人工過零回路中電容器容值應盡量小，且人工過零回路觸發時刻應比短路電流到達限流目標值時刻提前0.5ms以上。
人工過零限流方案實際限流效果的驗證可采用大電流試驗回路進行，其對快速開關短路開斷能力的考驗比實際變壓器出口短路更嚴格。本研究成果為變阻抗變壓器性能的進一步提升奠定了基礎。
本文編自2021年《電工技術學報》增刊2，論文標題為“110kV變阻抗變壓器短路電流首峰值限制方法”，作者為馬奎、王曙鴻 等。
隨著電網的快速發展，短路電流超標問題日益嚴峻，對電網及設備安全運行構成嚴重威脅，迫切需要研究性能優良、經濟合理、運行可靠的電網限流技術。故障限流器作為一種電網限流技術近年來在高壓電網進行了試點應用。由于其可靠性低、制造及運維成本高、占地面積大等問題，導致應用范圍受限，尚未在高壓電網中規模化推廣應用。
為此，將故障限流器與變壓器進行集成化設計，形成兼具故障限流器功能和變壓器功能的變阻抗變壓器（Variable Impedance Transformer, VIT）。正常運行時，變阻抗變壓器呈低阻抗狀態，運行損耗小，出口電壓隨負荷波動小；當系統發生短路故障時，通過快速開關瞬間將變阻抗變壓器轉換至高阻抗狀態，從而限制短路電流。
目前，110kV-63MVA變阻抗變壓器樣機已研制成功，通過掛網運行和現場試驗，限流效果和運行穩定性得到了驗證。變阻抗變壓器通過快速開關分合實現阻抗轉換，受開斷機理限制，燃弧只能在短路電流首次過零時被真正切斷，因此變阻抗變壓器不能限制短路電流首峰值，從而可能導致變壓器、母線等設備被損壞。
針對上述問題，電力設備電氣絕緣國家重點實驗室（西安交通大學）、國網寧夏電力有限公司的研究人員在有關方案的基礎上，提出了在短路電流上升階段通過人工過零回路開斷快速開關，使短路電流轉移至與高壓繞組串聯的內置限流電抗器，從而限制短路電流首峰值的方法。
他們首先算了變壓器短路電流首峰值隨短路瞬間電壓相位的變化關系，確定了限流需求。然后，仿真分析了人工過零回路作用下短路電流的轉移過程，對短路電流轉移至限流電抗器后繼續增長的原因進行了分析，研究解決措施。最后，設計了模擬變壓器短路的大電流試驗回路，分析采用試驗回路替代實際變壓器短路驗證限流方案的可行性。
研究結果表明，基于已有快速真空開關和短路電流識別算法的特點，加入人工過零回路后，將變阻抗變壓器短路電流首峰值限制到與快速開關保持分閘狀態相同的水平是可行的，且僅當短路瞬間電壓相位在[-180°, -120°]、[-60°, 60°]及[120°, 180°]三個區間時才需啟動人工過零回路進行限流。為實現限流目標，人工過零回路中電容器容值應盡量小，且人工過零回路觸發時刻應比短路電流到達限流目標值時刻提前0.5ms以上。
人工過零限流方案實際限流效果的驗證可采用大電流試驗回路進行，其對快速開關短路開斷能力的考驗比實際變壓器出口短路更嚴格。本研究成果為變阻抗變壓器性能的進一步提升奠定了基礎。
本文編自2021年《電工技術學報》增刊2，論文標題為“110kV變阻抗變壓器短路電流首峰值限制方法”，作者為馬奎、王曙鴻 等。
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