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为什么说使用深度限流装置风险很大?
发布时间:2017-06-10 阅读:

                                                                王老师喊艾绍贵同学回交大来上课                                                            

                                                               作者  李品德  王季梅  蔡炯  2014年1月于三亚

                                          李品德   陕西电力研究院   王季梅  西安交通大学       蔡炯 杭州博达电器有限公司

总结

 

 

      零损耗深度限流装置,实际上是故障电流过零后才将电抗器投入进电力系统。只能解决热稳定要求,不能解决动稳定要求。系统中假如断路器分断能力分别是31.5kA和40kA,那么要求发电机和变压器必须能承受31.5*2.5=80kA或40*2.5=100kA的动稳定冲击电流,而如果系统短路电流大于40kA,是没有或者需要特殊订购耐受短路峰值120kA的变压器和发电机。在国网公司公开出版的反事故措施中指出短路损坏的变压器是在稳态值10kA左右短路电流冲击下,在第一个周波就发生了损坏。深度限流装置声称可以在7~15ms,可以将80kA短路电流用50%的电抗器限制到31.5kA。但实际上是深度限流装置放过前两个或者三个大半波,电抗器不能接入,而此时的冲击电流为120kA~150kA。等过了三个大半波真空快速开关开断将电抗器接入后,发电机和变压器已经被冲击电流冲坏了,那么使用深度“限流”还有什么意义呢?不是忽悠外行人嘛?

 

两个原则性错误:

1,短路电流可以过零前关断?三相短路时,一相断开就算断开了? 

                                                加框new.jpg

             5ms内动作是指机械上能打开,还是指电气上能5ms开断(所谓的打开)? 打不开,说5ms内动作就有歧义。你是山西电科院不是刘老根大舞台。

2,电动力的大小跟时间有关?这是深度限流装置的概念。这是初中知识:力乘以时间那是功。查任何教科书:动稳定是指短路电流、短路冲击电流通过导体时,相邻载流导体间将产生巨大的电动力,衡量电路及元件能否承受短路时最大电动力的能力。国标中动热稳定的时间要求是2S,那是试验范畴,是把两个实验一起做。如果短路耐受峰值超过120kA,动热稳定试验分开做,短路耐受就是第一个波峰。

        艾绍贵同学回交大来再上上课吧。

 

先讲概念

1.  电力设备的短路电流耐受能力

1.1    两个关键指标

电气设备短路电流耐受能力的指标有两个参数,其一是热稳定能力,其二是动稳定能力。

1热稳定能力:对于开关设备叫做“额定短时耐受电流”,对于变压器叫做“承受短路的耐热能力”。对应于此电流的还有一个持续时间,开关设备一般为2s~4s,变压器一般为2s。两者共同构成电力设备的热稳定能力。

2动稳定能力:对于开关设备叫做“额定峰值耐受电流”,额定峰值耐受电流=2.5×额定短时耐受电流;对于变压器叫做“承受短路的动稳定能力”,承受短路的动稳定能力=2.5~2.7)×承受短路的耐热能力。

其它电力设备,例如电流互感器、发电机等耐受短路电流的能力的指标名称与此雷同,核心概念上是一致的。

1.2 概念及定义

    对于断路器,《GB/T11022-2011 高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》(IEC62271-12007)及《GB1984-2014 交流高压断路器》》给出了相关定义:

1.jpg

额定短时耐受电流Ik(量值上等于额定短路开断电流),这一技术参数主要反映设备承受短路电流热效应的能力,俗称热稳定电流。这里的“短时间”标准值为2s,也可根据需要选取3s4s。额定峰值耐受电流Ip(量值上等于额定短路关合电流),这一技术参数主要反映设备承受短路电流电动力效应的能力,俗称动稳定电流。Ip=2.5Ik可覆盖大多数工况,Ip=2.7Ik则主要用于大容量发电机附近区域短路的工况。

1.3 短路电流暂态过程的典型波形

1)配电系统大多数情况

假设t=0即短路发生瞬间,正常工作电流3.jpg,则短路电流i的表达式为i=周期分量+非周期分量,即

2.jpg1

短路电流暂态过程的典型波形图如下(参见GB1984):图1Ip=2.5Ik

4.jpg

额定峰值耐受电流Ip及额定短时耐受电流Ik

1IpIk两者之间的数学关系为:5.jpgk为短路电流冲击系数。在最不利的短路相角下,根据大多数工况短路时电路时间常数45ms附近,k1.8,即Ip=2.5Ik,这个关系显然是由电路的物理过程决定的。

2)发电机端部短路时的情况

在发电机端部短路时,时间常数远大于45ms,非周期分量衰减缓慢,k可取1.9。另外,发电机超暂态电抗在短路过程中会发生变化,致使短路电流的周期分量(交流分量)会出现一定的衰减现象,于是大容量发电机端部短路时,

6.jpg

发电机端部短路典型波形示意(过零点延迟)

路电流波形会出现前一个或几个周波不过零的现象,典型波形如图2,这时对具有快速分闸特性的断路器或只具有普通非周期分量开断能力的断路器是个巨大威胁。

1.4短路电流耐受能力的验证方法

在满足资质的第三方检验机构进行试验验证。根据GB110226.6.46.6.5条,通过试验的判据为:试验过程中,不得引起任何部件的机械损伤或触头分离。对于短时电流耐受试验,不规定温升的限值,但达到的最高温度应不足以引起相邻部件的明显损伤。试验后,设备应能正常操作,并能再次通过温升试验及绝缘试验。

试验方法方面:

1)实验室条件满足时,额定短时耐受电流和额定峰值耐受电流试验可以一次完成,即采用电网电源或冲击发电机电源施加图1所示波形,持续2s~4s

2)实验室条件不满足时,可以分开来做两项试验:其一,峰值耐受电流试验,施加短路电流时间不应该小于0.3s。这就从原理上排除了采用振荡回路试验的可能性,因为振荡回路提供的衰减正弦波只能持续几个周波,即采用振荡回路的测试是不被标准认可的,很多人错误的把0.3s理解为是考核电动力的累计效应。其二,额定短时耐受电流试验,可以直接施加规定时间的波形即可而不必满足图1的非周期分量。

不管如何试验,标准规定:对于额定短时耐受电流试验,三相施加电流平均值应不小于额定值Ik,且任何一相的电流与平均值的差别不应大于10%,且未经制造厂家的同意该平均值不应超过额定值的10%;对于额定峰值耐受电流试验,施加电流应不小于Ip,且未经制造厂家的同意不能超过该值的5%。若超过上述规定限值进行试验而造成试品损坏,将可能导致试验方与试验委托方之间的责任纠纷。

1.5 对于电力系统的其它设备

除断路器之外,电力系统的发电机、变压器、电流互感器、母线、隔离开关等一次设备均有评估短路电流耐受能力的技术指标。

以变压器为例,国家标准《GB1094.5-2008 电力变压器  5部分:承受短路能力》规定了承受短路的耐热能力I及承受短路的动稳定能力i的计算方法,iI的第一个大半波峰值。承受对称短路电流的持续时间:一般为2s,在此期间,每个绕组平均温度不超过标准规定的最大允许值,通过经验公式计算来验证,验证电流与额定值I的偏差应不大于10%承受短路的动稳定能力:一是试验验证,二是计算、设计及制造同步验证。验证电流iI的第一个大半波峰值。若采用试验验证,则试验施加电流i与规定值的偏差应不大于5%I的偏差应不大于10%

I取决于变压器自身的短路阻抗及电力系统的短路视在容量,对于50MVA的变压器(110kV/10.5kV),电力系统默认短路视在容量500MVA,变压器最小短路阻抗11%,可以算得10.5kV侧短路电流约为13kA,即I=13kA8.jpgk为短路电流冲击系数,一般取1.8~1.9,即i=2.55~2.7I

也就是说,对于实际电力系统,在最不利的电路条件及故障相位角下,短路电流暂态过程第一个大半波的峰值不能超过设备的额定峰值耐受电流,否则设备就存在发生机械损坏的风险。在最不利的电路条件的稳态短路电流不能超过设备的额定短时耐受电流且持续时间应小于额定值。

 

 

关于电动力的概念

1)两个平行导体间

7.jpg

两平行导体间的电动力F1

F1=k1i1i2L/a    2

其中,k1为与导体截面相关的常数,显然电动力F1与电流的乘积成正比、与导体长度L成正比、与两导体间的距离a成反比。这个电动力可以发生在配电系统各相导体之间,也可以发生在某相导体自身形成的几何结构之间。对于绕组型设备例如发电机、变压器等,这个电动力显然还可以出现在同相绕组的层间及匝间。

2)三相母线短路时母线间的电动力

    三相对称短路时,假设稳态分量有效值为I,一相母线会同时受到另外两相母线电动力的作用,设计规程规定:在校验母线或其它电气设备动稳定时,应采用可能出现的最大电动力作为校验的依据,即采用额定峰值耐受电流对应的电动力作为设备动稳定校验依据。经过证明,B相所受的电动力最大,要比AC相电动力大7%B相所受的最大电动力为:

F2=k2Ich2L/a      3

    其中,k2为与空间结构及导体截面相关的常数,Ich为三相短路最大峰值电流,也称冲击电流,L为导体长度,a为导体间距。显然Ich应该小于设备额定峰值耐受电流Ip才是安全的。一般情况下,Ich=2.55I;若是直接由大容量发电机供电的母线短路时,Ich=2.7I

3 关于限流措施

限流措施的核心是降低短路电流水平包括降低短路电流第一个大半波电流峰值,提高电路的短路阻抗是唯一可行的方法,比如使电力系统开环运行、采用高阻抗变压器、采用限流电抗器、采用具有第一个大半波限流能力的故障电流限制器(Fault-Current-LimiterFCL)等等。但是,开环运行、高阻抗变压器、限流电抗器是以牺牲电力系统一些优良性能为代价,有时是不可接受的。FCL则分为超导技术型、电力电子型、爆破切割型等等,目前经济适用的只有基于爆破切割技术的限流器产品,下面提到的限流器特指这类产品。

高压交流断路器属于机械开关类产品,其共性是:(1)速度相对缓慢;(2)开断过程不具备限流特性;(3)在电流自然过零点才有可能开断。对于断路器,其全开断时间=继电保护响应及动作时间+断路器固有分闸时间+燃弧时间,一般可达90ms~160ms。对于特殊的快速开关或高速开关,固有分闸时间(开关分闸线圈通电到开关触头刚刚分离之间的时间间隔)可以做到5ms以下,若再采用特殊技术使继电保护装置的响应及动作时间缩短到3ms附近,则这类断路器的全开断时间可以降低到10ms~30ms。所以,不论是普通断路器还是快速断路器,均不可能实现在短路电流第一个大半波限流的需求,也就是说任何机械类开关产品均不能直接用作限流器或限流器部件。

9.jpg

4  FCL与断路器开断特性的比较

4 关于深度限流装置

    如图5右上角小图所示,深度限流装置的主导电回路是由快速真空断路器CB和高阻抗限流电抗器XK并联构成,目前有厂家采用这个组合产品来限制电力系统的短路电流。根据快速真空断路器第三方检验报告,其固有分闸时间大约5ms,但全开断时间=故障识别时间+固有分闸时间+燃弧时间,可达约30ms当系统发生短路故障时,实际的短路电流暂态过程波形将如图5所示:

10.jpg

采用深度限流装置后系统短路电流暂态过程的波形示意图

    虽然t0时刻真空断路器完成开断电抗器投入后的Ip2小于额定峰值耐受电流Ip,但在电抗器投入前的Ip1则会明显大于Ip(若Ip1<Ip,则不需要采取任何限流措施),电动力将超过系统承受能力的(Ip1/Ip2倍。以陕西省电力公司330kV沣河变为例,其10kV侧无限流电抗器时的故障电流水平是90kA,加装限流电抗器之后的故障电流水平是34kA,若采用快速真空断路器将电抗器旁路,则Ip1=2.5×90kAIp2=2.5×34kA,设备短路电流的耐受能力是Ik/Ip=40kA/2.5×40kA),所以虽然Ip2<Ip,但Ip1>>Ip,而电动力与电流瞬时值平方成正比,也就是说此时设备遭受的最大电动力将超出其承受能力(90kA/40kA2=5.06倍!

对于一个具体的电力系统,假若采用“深度限流”装置,也许特殊的开关装置自身可以承受图4Ip2,但这需要国家权威检测机构的试验来证实。更主要的是,电力系统中最薄弱的环节是变压器、发电机、电流互感器这类带绕组的电力设备,它们的绕组的匝间及层间绝缘结构最怕遭受超额短路电流的冲击而发生形变甚至损坏。也就是说,系统中所有电气设备均没有接受图4波形超标的验证!风险不言而喻。若这个“深度限流装置”应用于发电机出口遇到图2所示的短路电流延迟过零情况,则情况会更加糟糕。

11.jpg

短路事故图片

理论上配电系统各环节均不能接受图4的波形,至少没有任何电气设备接收过这种非标准波形的验证。但由于最大短路冲击电流的出现条件是最不利的短路位置和最不利的相位角,几率很小,所以并不见得每次短路都会发生设备损坏事故,但电力系统由此而面临的潜在巨大风险也是不争的事实。所以,采用“深度限流”装置是一个“顾头不顾尾”的做法,即只顾及了热稳定电流耐受能力和限流设备的可重复使用特性,却无视动稳定电流严重超标对电力系统带来的潜在巨大风险。

实际工作中,我们发现近90%的电力用户包括设计院的电气设计人员甚至一些电力工作者对额定短时耐受电流和额定峰值耐受电流的概念及相关校核方法不甚了解,对短路电流暂态过程及相关标准缺乏认识,对于短路电流的电动力效应及对系统的破坏能力缺乏了解,从而导致对短路电流限制产生了认识偏差,本文希望能通过阐述定义及概念以期达到抛砖引玉的作用。 

 

 

6.额定峰值耐受电流的概念

1. IEC及国家标准的定义

1)对于开关设备(GB11022):

标注1.jpg

2)对于电力系统其它设备:比如变压、母线系统、电流互感器等,在上述定义中去掉“在合闸位置”几个字即可。

 

相关标准明确定义:额定峰值耐受电流Ip=额定短时耐受电流Ikm第一个大半波的电流峰值。也就是说,电气设备要承受住额定短时耐受电流第一个大半波的电流峰值对应电动力的冲击不损坏,而不是要求承受之后一段时间电动力的累积冲击(或某个折中电流的冲击)。电气设备的机械结构是否稳定,取决于它能否承受住额定短时耐受电流第一个大半波的电流峰值对应电动力的冲击。对于50Hz电力系统,短路电流前20ms(必然出现第一个大半波)就验证了系统机械结构的稳定性。这也是相关标准没有定义或给出“额定峰值耐受电流持续时间”概念的原因。所谓的额定峰值耐受电流试验时采用持续300ms的电流,属于试验站具体实施范畴。

对于一个具体电力工程的设备选型而言,如何选择设备的额定峰值耐受电流参数?很明显,应该首先计算或分析所涉及的电力系统可能出现的工频故障电流最大峰值,这个最大峰值应该小于所选设备的额定峰值耐受电流。如果设计院设计之初的选型是深度限流这种避开几个半周波的限流措施就有巨大的风险的,不但背离限流的初衷,反而提高了系统的耐受电流。通俗地讲,装了深度限流装置,唯一保护的是电抗器,其他设备,如变压器发电机,全部暴露给短路电流冲击之下。

  

2. 具体例子

1)对于图1,假若图中的稳态短路电流=额定短时耐受电流,则额定峰值耐受

电流=Ip=1.8Ik=2.5Ikm

 

标准2.jpg

1

2)对于图2,电路在t0时刻回路阻抗变大导致后续短路电流变小,预期稳态

标准3.jpg

2

 

电流峰值由t0时刻前的Ik变为之后的Ik2。对于这种情况,根据标准的定义,系统的额定峰值耐受电流=Ip=1.8Ik=2.5Ikm,而不应该是降低到1.8Ik2的水平。

    对于电动力来说,它与回路暂态电流的平方成正比。假设图2Ik=1.8 Ik2,则电动力的冲击将是1.82=3.24倍,这种冲击力对于机械结构特别是带有绕组的电气设备的绝缘结构的损坏是瞬间的和灾难性的。

 

换而言之,若将系统电气设备的额定峰值耐受电流降低到1.8Ik2的水平,系统将存在重大安全隐患,因为系统实际承受的故障电流暂态峰值远远大于1.8Ik2的水平。作为一个学者严格的说,不是每一次故障都能碰到最大值,跟所处的相角有关,所以说使用风险比较大。

编者注:深度限流装置宣传“可在715毫秒内可将短路电流开断”“短路开断能力可轻松达到80KA”。其原理是发生故障时灭弧室打开故障电流从真空灭弧室转移给限流电抗器,进行限流的原理。请问艾绍贵同学周孝信院士和王川博士真空灭弧室在开断7毫秒或者15毫秒时或者之前的弧压是多少?随便一种规格的10kV2000A限流电抗器的阻抗或者电阻是多少?欧姆定理还应该是电压除以电阻等于电流的关系吧?真空弧压除以电抗电抗就是转移电流的大小,请问怎么“轻松”得出来的80kA?10kA也得不出来。也就是说7~15ms时刻10kA的电流都转移不了,首开相能在7~15ms内断开那也是等过零关断,因为燃弧时间少燃弧能量少介质恢复强度快的缘故。另外两相如果也可以在7~15ms断开,那就要改写课本了“交流电可利用快速分断的方法实现不用过零关断”,这笑话就大了。

这是个网络时代,三位同学都能看得到,欢迎上面三位同学可以拿着深度限流装置在西高所开断80kA的型式报告到陕西省电力司法鉴定中心(全国唯一的电力司法鉴定中心)来切磋。

 

 

以下文字摘自网络“ 由国网宁夏电力负责完成的国家电网公司重大科研项目——“快速开关型零损耗330kV电网限流装置研制”科技成果顺利通过科技鉴定。以中国科学院院士等省内外资深专家组成的鉴定专家委员会给予了高度评价,认为该项目根据宁夏电网乃至全国电网限制系统短路电流的迫切需要,在国际上率先开展了快速开关型零损耗330千伏电网限流装置研制,填补了该领域国际空白,快速限流技术居于国际领先水平,同意通过科技成果鉴定,并建议加快研究成果在宁夏和全国电网的推广应用。”

 

填补国内空白,是对的,居于国际领先,过了。周院士可能是搞二次的不是搞一次的。宁夏电力做的试验也是单相短路试验跟三相短路完全是两回事,何况有发电机的用户发生故障时还有直流分量,非周期分量衰减就超过20ms。在330kV线路上会有电磁环网造成的短路电流上升断路器打不开的情况,电磁环网闭合根据不同系统参数有可能形成的时间超过30~40ms,利用这种开关做串补是可以的。     苑舜