CN107085182B - 一种高压断路器抗短路电流能力校核方法 - Google Patents

Abstract

一种高压断路器抗短路电流能力校核方法，首先通过采用电力系统仿真程序计算或根据录波采集得到断路器的短路电流值，然后采用包络线法获取短路电流中所含的直流分量，再采用指数拟合法进行短路电流直流分量衰减时间常数的计算。最后比较该衰减时间常数是否超过《高压交流断路器》规定的范围，来判定为该断路器短路电流开断能力是否存在不足。通过比较本方法计算出的断路器短路电流直流分量时间常数与标准时间常数的差异，可以确定断路器是否存在短路容量不足的风险，以及时采取必要的预防措施。本发明方法适用于在电力系统中校核高压断路器抗短路电流能力。

Description

一种高压断路器抗短路电流能力校核方法

技术领域

本发明涉及一种在电力系统中的高压断路器抗短路电流能力的校核方法，属电力系统分析技术领域。

背景技术

随着我国社会的发展和国民经济的持续增长，电网规模越来越大。相应的电网电压等级越来越高，电网负荷及电源日益增加，电网中的线路、变压器等设备的增加使电网网架结构不断加强，在增加供电可靠性的同时导致电网短路电流超标问题日渐突出。短路电流的大小对于电网的规划及运行(如电气主接线的选择，电气设备及导体的选择，断路器的配置，限流措施等)，保护与控制(如各种继电保护装置的配置及其参数整定)有着重大的影响。

为保证电网的安全稳定运行，需要对电网中的断路器抗短路能力进行校核，当断路器需要开断的电流超过断路器额定短路开断电流(即断路器开断容量)时需要采取更换断路器、开断线路、加装限流电抗器等措施来保证电网的安全运行。

当前的断路器短路电流仿真计算分析中，主要是计算基波周期分量。但短路电流中，除了基波周期分量外，还有直流分量。以前，由于网络规模不大，X/R数值并不是特别高，忽略直流分量，用短路电流周期分量校核断路器开断能力并不会引起太大问题。但随着当前电力系统中发电机、变压器容量的增大和输电网电压等级的提高，各元件的X/R比值增大，短路电流直流分量衰减时间常数逐渐增大。在有些情况下，只采用短路电流周期分量而忽略直流分量校核断路器开断能力将产生严重问题。

发明内容

本发明的目的是，为保证在电网发生短路故障时高压断路器能可靠地开断短路电流，提供一种断路器抗短路能力校核方法。

本发明的技术方案是：

通过采用电力系统仿真程序计算或根据录波采集得到断路器的短路电流值，比较该短路电流值与断路器额定短路开断电流数值(即断路器开断能力)，当短路电流超过断路器开断能力的90％时，需要进一步考虑短路电流直流分量的影响，计算直流分量衰减时间常数，当该时间常数大于断路器短路电流衰减的标准时间常数时，则判定该断路器开断能力不足。

本发明断路器抗短路电流能力校核分析方法通过如下步骤实现：

1.获取断路器短路电流。通过电网电磁暂态仿真计算或由安装在电网中的录波装置获取断路器短路电流数据，该电流为流经断路器的全电流数据，包括基波周期分量以及直流分量。

2.短路电流直流分量获取。采用包络线法获取短路电流中所含的直流分量，如图1所示，正弦短路电流波形的上部及下部均有包络线，取波形上下包络线的平均值，即可求出短路电流的直流分量曲线。

3.短路电流时间常数计算。采用指数拟合法进行短路电流直流分量衰减时间常数的计算。设短路电流直流分量为I(t)，则有指数函数现需要根据直流分量数值确定函数表达式中的A值及时间常数T_dc。为了计算方便，假定A＝e^a，(a,b为待求量)，则有I＝e^a+bt，对表达式两边取对数，得ln(I)＝a+bt，令y＝ln(I)，于是y(t)＝a+bt。

(1)根据短路电流直流分量数据计算出直流分量数据的对数值：

y_k＝ln(I_k)(k＝1，2，……，n) (1)

(2)根据直流分量数据写出关于两个未知数a、b的n个方程的超定方程组(方程数多于未知数个数的方程组)

a+bt_k＝y_k(k＝1，2，……，n) (2)

(3)在公式(2)中，记向量X＝[a,b]^T,Y＝[y₁,y₂,...,y_n]^T,记矩阵

则方程(2)变为：

AX＝Y (4)

可求出方程(4)的最小二乘解为：

X＝(A^TA)^-1(A^TY) (5)

即为a、b的值，从而可以得到直流分量数值确定函数表达式中的A值及时间常数T_dc。

4.比较短路电流直流分量的衰减时间常数是否超标，如果超过《高压交流断路器》规定的范围，需要比较短路电流基波分量是否超过断路器额定开断容量的90％，如果超过，则判定为该断路器短路电流超标，需要考虑采取更换大容量断路器、开断线路等降低短路电流措施。

本发明与现有技术比较的有益效果是：现有的电网安全校核中一般不包括短路电流直流分量的计算，本发明提供了一种直流分量计算以及衰减时间常数的计算方法，通过比较本方法计算出的断路器短路电流直流分量时间常数与标准时间常数的差异，可以确定断路器是否存在短路容量不足的风险，以及时采取必要的预防措施。

本发明方法适用于电力系统断路器抗短路电流能力的校核计算。

附图说明

图1为本发明高压断路器抗短路电流能力的校核方法流程框图；

图2为包络线法示意图；

图3为本发明实施例短路电流波形；

图4为本实施例短路电流直流分量的图形。

具体实施方式

本发明实施例高压断路器抗短路电流能力的校核方法流程如图1所示。

本发明的具体实施方式包括以下步骤：

1.断路器短路电流获取。有两种方式，一是通过仿真计算方式，建立电网电磁暂态仿真系统模型，在模型中模拟母线故障(此时断路器的短路电流最大)，获取断路器短路电流数据；二是直接从电网中安装的录波器中获取，对于电网中的短路故障，录波器会记录每次故障前后流经断路器短路电流的数据，可以通过获取该数据进行分析，本实施例中给出了某断路器短路电流的波形图如图3所示。

2.短路电流直流分量的计算。如图3所示的短路电流波形，采取如图2所示的包络线法得到短路电流直流分量的曲线，本实施例中短路电流直流分量的图形如图4所示，得到的直流分量的坐标为(0.01,27.46)，(0.03,19.2)，(0.05,13.43)，(0.07,9.39)，(0.09,6.57)，(0.11,4.6)，(0.13,2.33)，(0.15,2.26)，(0.17,1.58)，(0.19,1.11)，(0.21,0.78)，(0.23,0.55)，(0.25,0.39)，(0.27,0.27)，(0.29,0.19)，(0.31,0.14)，(0.33,0.095)，(0.35,0.067)，(0.37,0.046)。

3.计算短路电流直流分量衰减时间常数。根据公式(1)，求出直流分量的自然对数向量为(3.31,2.95,2.6,2.24,1.88,1.53,1.17,0.81,0.46,0.1,-0.25,-0.6,-0.95,-1.3,-1.65,-2.0,-2.35,-2.7,-3.08)。按式(5)可求出超定方程组(4)的最小二乘解为X＝(a,b)＝(3.49,-17.73)，从而直流分量衰减时间常数

4.比较短路电流直流分量的衰减时间常数是否超标，按照《高压交流断路器》规定的范围，额定电压为220kV的短路时间常数为60ms，因此只需要比较短路电流基波分量是否超过断路器额定开断容量即可，按照此前的计算，该断路器的最大短路电流在允许范围内，无需采取额外的短路电流限制措施。

Claims (1)

1.一种高压断路器抗短路电流能力校核方法，其特征在于，

1)电网中的高压断路器最大短路电流数据获取；

2)断路器直流分量获取，通过采用包络线法获取短路电流中所含的直流分量；

3)短路电流直流分量衰减时间常数的计算，通过采用指数拟合法进行短路电流直流分量衰减时间常数的计算；

4)短路电流直流分量的衰减时间常数判别步骤，通过比较短路电流直流分量的衰减时间常数是否超过规定的范围，需要比较短路电流基波分量是否超过断路器额定开断容量的90％，如果超过，则判定为该断路器短路电流超标，来判别断路器短路电流的实际开断能力是否满足开断要求；

所述指数拟合法计算短路电流直流分量衰减时间常数的步骤为：

设短路电流直流分量为指数函数需要根据直流分量数值确定函数表达式中的A值及时间常数T_dc；为了计算方便，假定A＝e^a，a,b为待求量，则有I＝e^a+bt，对表达式两边取对数，得ln(I)＝a+bt，令y＝ln(I)，于是y(t)＝a+bt；

1)根据短路电流直流分量数据计算出直流分量数据的对数值：

y_k＝ln(I_k)(k＝1，2，……，n) (1)

2)根据直流分量数据写出关于两个未知数a、b的n个方程的超定方程组：

a+bt_k＝y_k(k＝1，2，……，n) (2)

3)在公式(2)中，记向量X＝[a,b]^T,Y＝[y₁,y₂,...,y_n]^T,记矩阵：

则方程(2)变为：

AX＝Y (4)

可求出方程(4)的最小二乘解为：

X＝(A^TA)^-1(A^TY) (5)

即为a、b的值，因为：

A＝e^a (6)

根据式(6)、式(7)即可确定短路电流直流分量的指数函数表达式。