CN112271693B - 工频首半波故障电流产生方法及暂态动稳定性检测方法 - Google Patents

工频首半波故障电流产生方法及暂态动稳定性检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种工频首半波故障电流产生方法及暂态动稳定性检测方法。该工频首半波故障电流产生方法包括：将故障电流模拟电源、合闸开关、选相控制快速真空开关和被试电力设备依次串联成一回路，得到试验电路；设置所述合闸开关为断开状态，所述选相控制快速真空开关为关合状态；关合所述合闸开关，启动所述故障电流模拟电源对所述被试电力设备作用模拟故障电流；根据所述故障电流的波形，所述选相控制快速真空开关选相分断，使所述故障电流在第一个工频电流零点开断，产生工频首半波故障电流。本发明能够准确模拟产生工频首半波故障电流，有效检测在故障电流持续时间为工频首半波条件下电力设备的暂态动稳定性。

Description

工频首半波故障电流产生方法及暂态动稳定性检测方法
技术领域
本发明涉及电力设备性能检测技术领域，尤其涉及一种工频首半波故障电流产生方法及暂态动稳定性检测方法。
背景技术
电力系统短路故障会产生数十千安的短路电流，也称故障电流。系统中的继电保护和断路器需要快速动作，开断故障电流，切除故障线路，保证电力系统和电力设备的安全运行。图1所示是电力系统故障电流典型波形，包含工频分量和衰减直流分量，衰减直流分量由短路时刻的工频相位所决定。由于衰减直流分量，故障电流的工频首半波出现故障电流峰值。故障电流包含一系列工频过零点t1，t2，t3，t4，t5，t6，t7，…，断路器只能在故障电流的工频过零点完成开断。
巨大的故障电流会产生巨大的电动力，能够损坏电力设备，电力设备耐受短时故障电流电动力破坏的能力，称为暂态动稳定性。对于可能遭受故障电流的电力设备，如变压器、断路器、隔离开关、电流互感器和母线等，暂态动稳定性是其重要的性能参数，以表征其安全运行的条件。偏低的暂态动稳定性将限制电力设备的运行条件，冗余的暂态动稳定性又导致设备制造成本的显著增加和体积庞大。因此，合理的暂态动稳定性设计是十分必要的。
电力系统短路故障有两个特征参数，故障电流峰值和故障电流持续时间。故障电流峰值决定于电网的短路阻抗，随着电网容量和负荷密度的增大，故障电流峰值不断增大。为了满足断路器开断能力的限制和电力设备暂态动稳定性的限制，在电网结构设计和电网运行方式调度中，必须保证短路故障时的足够大的短路阻抗，限制故障电流。故障电流持续时间决定于电力系统继电保护和断路器的动作速度。故障电流持续时间越短，对系统和设备的危害越小，实际中要求故障电流持续时间越短越好。在目前已有的电力设备暂态动稳定性试验中，人们主要关注故障电流峰值的影响，而对故障电流持续时间没有给出严格的限制。试验中的故障电流持续时间通常由试验中保护装置的动作时间决定，一般在2到5个工频周波量级。从技术上讲，目前的电力设备暂态动稳定性试验中，还缺少严格控制故障电流持续时间的方法。随着快速开关技术和限流器技术的发展，迫切需要控制故障电流持续时间的暂态动稳定性检测方法。
发明内容
本发明实施例提供一种工频首半波故障电流产生方法及暂态动稳定性检测方法，以解决现有技术的电力设备暂态动稳定性试验中，缺少严格控制故障电流持续时间的方法的问题。
第一方面，提供一种工频首半波故障电流产生方法，包括：将故障电流模拟电源、合闸开关、选相控制快速真空开关和被试电力设备依次串联成一回路，得到试验电路；设置所述合闸开关为断开状态，所述选相控制快速真空开关为关合状态；关合所述合闸开关，启动所述故障电流模拟电源对所述被试电力设备作用模拟故障电流；根据所述故障电流的波形，所述选相控制快速真空开关选相分断，使所述故障电流在第一个工频电流零点开断，产生工频首半波故障电流。
第二方面，提供一种电力设备工频首半波故障电流暂态动稳定性检测方法，包括：按照如第一方面实施例所述的工频首半波故障电流产生方法产生不同故障电流峰值的工频首半波故障电流；在所述工频首半波故障电流下，检测被试电力设备的耐受程度。
这样，本发明实施例，通过选相控制快速真空开关能够在故障电流的第一个工频电流零点对其开断，使得故障电流的持续时间缩短至首半波，能够准确模拟产生工频首半波故障电流；此外，综合考虑了故障电流峰值和持续时间的影响，提供仅有工频首半波故障电流的检测条件，以有效检测在故障电流持续时间为首半波条件下的电力设备的暂态动稳定性，适应了快速开关技术和限流器技术的发展，可以满足快速开关技术和限流器技术发展所产生的新需要。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是电力系统故障电流典型波形示意图；
图2是本发明实施例的工频首半波故障电流产生方法的流程图；
图3是本发明实施例的电力设备工频首半波故障电流暂态动稳定性检测电路示意图；
图4是电力系统工频首半波故障电流波形示意图；
图5是本发明实施例的经历工频首半波故障电流时选相控制快速真空开关选相分断的示意图；
图6是本发明实施例的电力设备工频首半波故障电流暂态动稳定性检测方法的流程图；
图7是本发明一具体应用例的变压器工频首半波故障电流暂态动稳定性检测电路示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例针对电力设备的暂态动稳定性检测，设计了一种可用故障电流的工频首半波持续时间进行检测的方法。为了实现用工频首半波持续时间进行检测，本发明实施例首先提供了一种工频首半波故障电流产生方法。如图2所示，该方法包括如下的步骤：
步骤S1：将故障电流模拟电源、合闸开关、选相控制快速真空开关和被试电力设备依次串联成一回路，得到试验电路。
试验电路如图3所示。故障电流模拟电源1的一端与合闸开关2的一端电连接，合闸开关2的另一端与选相控制快速真空开关3的一端电连接，选相控制快速真空开关3的另一端与被试电力设备4的一端电连接，被试电力设备4的另一端与故障电流模拟电源1的另一端电连接。故障电流模拟电源1能够产生图1所示的故障电流，应当理解的是，通过调整故障电流模拟电源1的参数，可以产生不同故障电流峰值的首半波故障电流。故障模拟电源1可以有不同的类型，例如，直接由电网供电，短路发电机，LC振荡电路等等。被试电力设备5也可以有不同的类型，例如，变压器、断路器、发电机等等。
步骤S2：设置合闸开关为断开状态，选相控制快速真空开关为关合状态。
步骤S3：关合合闸开关，启动故障电流模拟电源对被试电力设备作用模拟故障电流。
合闸开关用于控制故障电流的产生，关合合闸开关，则回路中出现故障电流，作用于被试电力设备。如图1所示，该故障电流为一种振荡电流。
步骤S4：根据故障电流的波形，选相控制快速真空开关选相分断，使故障电流在第一个工频电流零点开断，产生工频首半波故障电流。
应当理解的是，选相控制快速真空开关预先已启动为工作状态。具体的，在故障电流出现后的0.1个工频周期到0.4个工频周期的时间范围内发出选相控制快速真空开关的开断控制指令，使选相控制快速真空开关的触头在故障电流第一个工频电流零点前充分完成操动和具有充分开距，选项控制快速真空开关在第一个工频电流零点开断故障电流，产生工频首半波故障电流，如图4所示。当选相控制快速真空开关的触头具有充分开距时，该选相控制快速真空开关的两个触头已经分离足够大的有效距离，具有充分开断能力，避免灭弧后燃弧。
当出现故障电流时，一般需要观察电流波形一段时间才能确认该电流是否为故障电流，从而正确发出断开控制指令；并且开关动作需要一定的时间，因此，该指令的发出应该超前故障电流第一次过零点t1一段时间，使得快速真空开关在电流过零点时已充分完成操动，具有开断能力；此外，在满足“充分完成操动”的前提下，应该尽量减小真空开关的燃弧时间(即从快速真空开关触头分离到故障电流第一个过零点t1开断的时间，如图5所示)，由此减小真空开关的电弧能量，保证选相控制快速真空开关能够有效开断高峰值的首半波故障电流。
在振荡电流出现后的0.1个工频周期到0.4个工频周期的时间范围内发出选相控制快速真空开关的开断控制指令可满足上述要求。如图5所示，在发出指令相位发出开断控制指令，一段时间后，在触头分离相位，快速真空开关的触头开始分离，在开关动作时间充分完成操动，然后到达第一个过零点t1。例如，当半个周期的时间为10ms时，可在1～8ms发出断开控制指令，可使开关在故障电流第一个过零点前1ms左右(即图5中的“开关动作时间”的结束处)完成充分操动。其中，开关动作时间指开关开始动作到开关完成动作(触头分到底)之间的时间。
综上，通过本发明实施例的工频首半波故障电流产生方法，选相控制快速真空开关能够在故障电流的第一个工频零点对其开断，使得故障电流的持续时间缩短至首半波，能够准确模拟产生工频首半波故障电流。
本发明实施例还公开了一种电力设备工频首半波故障电流暂态动稳定性检测方法。如图6所示，该检测方法包括如下的步骤：
步骤S1：按照工频首半波故障电流产生方法产生不同故障电流峰值的工频首半波故障电流。
该产生工频首半波故障电流的方法如前述的实施例所述，在此不再赘述，通过调整故障电流模拟电源的参数，可以产生不同故障电流峰值的工频首半波故障电流。
步骤S2：在工频首半波故障电流下，检测被试电力设备的耐受程度。
在步骤S1产生的工频首半波故障电流条件下进行电力设备暂态动稳定性的检测试验，可以检测出被试电力设备不耐受而被损坏的故障电流峰值，以便指导电力设备的制造。
故障电流的持续时间被减小到首半波时，其对电力设备的电动力破坏应该显著减小，那么电力设备耐受的电动力破坏的故障电流峰值则应该显著增大。因此，通过在工频首半波故障电流下检测被试电力设备的是否耐受而不发生损坏，相对于现有的暂态动稳定性的测试具有如下的优势：
(1)对于新制造的电力设备，在相同故障电流峰值的情况下，如果故障电流持续时间减小到了首半波，则应该相应降低设备的动稳定性要求，以减少设备的制造成本。
(2)对于已在运行的电力设备，电力设备力学特性不变，如果故障电流持续时间减小到了首半波，则可以相应提高设备的最大允许故障电流峰值，以增大设备运行的适应性和电网运行的灵活性，降低对电网结构和运行方式的限制。
因此，在可实现故障电流持续首半波时间的应用条件下，通过本发明实施例的检测方法，可更准确地表征电力设备对新应用条件的适应性。
在本发明一具体的应用例中，如图7所示，故障电流模拟电源1包括：高压电源11、整流硅堆12、充电电阻13和电容器组14，高压电源11的一端与整流硅堆12的一端电连接，整流硅堆12的另一端与充电电阻13的一端电连接，充电电阻13的另一端与电容器组14的一端电连接，电容器组14的另一端与高压电源11的另一端电连接。被试电力设备4为变压器41，则变压器41的副边短路，变压器41的原边串联接入试验电路。此时，变压器41等效为一个电感，为变压器的漏电感。选相控制快速真空开关3包括：电流测量元件31、快速真空开关32和控制器33。电流测量元件31串联在合闸开关2和快速真空开关32之间，用于测量通过快速真空开关32的电流。控制器33的输入端与电流测量元件31的输出端电连接，用于接收电流测量元件31发送的电流信号。控制器33的输出端与快速真空开关32的控制命令输入端电连接，用于向快速真空开关32发送开断控制指令。快速真空开关32还与被试电力设备4串联，用于开断通过被试电力设备4的电流。快速真空开关32的操动快速而稳定，能够在1ms时间内完成操动。
当采用上述的具体的试验电路时，采用本发明实施例的方法进行暂态动稳定性检测，其中，针对本具体电路，启动故障电流模拟电源对被试电力设备作用模拟故障电流(放电)的过程包括：
(1)根据故障电流频率、峰值和变压器漏电感，计算电容器组的电容和充电电压。
具体的，电容器组的电容的计算式为C＝(2πf)2/L。充电电压Um的计算式为
Figure BDA0002690230700000071
其中，C表示电容器组的电容，Um表示充电电压，f表示故障电流频率(工频)，Im表示故障电流峰值，L表示变压器漏电感。
因此，对于给定的被试电力变压器(给定变压器漏电感L)，为了产生工频故障电流，可按照计算得到的电容器组的电容重新调整电容器组的电容；当需要改变故障电流峰值时，可按照计算得到的电容器组的充电电压对电容器组充电，以便可以在不同峰值电流下进行暂态动稳定性检测。
(2)按照计算得到的电容器组的电容和充电电压，选取电容器组，并通过高压电源、整流硅堆和充电电阻对电容器组充电。
(3)控制电容器组对变压器放电。
通过本发明实施例的工频首半波故障电流产生方法使变压器经历工频首半波故障电流，检测变压器在工频首半波故障电流的作用下的暂态动稳定性。现有技术中，当频率为50Hz时，变压器暂态动稳定性考核的故障电流持续时间超过250ms，通过本发明实施例的方法，可控制故障电流持续时间在10ms(即半个周期)。
综上，本发明实施例的电力设备工频首半波故障电流暂态动稳定性检测方法，综合考虑了故障电流峰值和持续时间的影响，提供仅有工频首半波故障电流的检测条件，以有效检测在故障电流持续时间为首半波条件下电力设备的暂态动稳定性，适应了快速开关技术和限流器技术的发展，可以满足快速开关技术和限流器技术发展所产生的新需要。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种工频首半波故障电流产生方法，其特征在于，包括：
将故障电流模拟电源、合闸开关、选相控制快速真空开关和被试电力设备依次串联成一回路，得到试验电路；
设置所述合闸开关为断开状态，所述选相控制快速真空开关为关合状态；
关合所述合闸开关，启动所述故障电流模拟电源对所述被试电力设备作用模拟故障电流；
根据所述故障电流的波形，所述选相控制快速真空开关选相分断，使所述故障电流在第一个工频电流零点开断，产生工频首半波故障电流；
所述产生工频首半波故障电流的步骤，包括：
在所述故障电流出现后的0.1个工频周期到0.4个工频周期的时间范围内发出选相控制快速真空开关的开断控制指令，使所述选相控制快速真空开关的触头在所述故障电流第一个工频电流零点前充分完成操动和具有充分开距，所述选相控制快速真空开关在第一个工频电流零点开断所述故障电流，产生工频首半波故障电流。
2.根据权利要求1所述的工频首半波故障电流产生方法，其特征在于，所述选相控制快速真空开关包括：电流测量元件、快速真空开关和控制器，所述电流测量元件串联在所述合闸开关和所述快速真空开关之间，用于测量通过所述快速真空开关的电流，所述控制器的输入端与所述电流测量元件的输出端电连接，用于接收所述电流测量元件发送的电流信号，所述控制器的输出端与所述快速真空开关的控制命令输入端电连接，用于向所述快速真空开关发送开断控制指令，所述快速真空开关还与所述被试电力设备串联，用于开断通过所述被试电力设备的电流。
3.一种电力设备工频首半波故障电流暂态动稳定性检测方法，其特征在于，包括：
按照如权利要求1～2任一项所述的工频首半波故障电流产生方法产生不同故障电流峰值的工频首半波故障电流；
在所述工频首半波故障电流下，检测被试电力设备的耐受程度。
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