江宇，夏勇，張斌，馮垚，冉江虹

(重慶市電力公司 江津供電局，重慶 江津 402260)

0 引言

在輸電線路發(fā)生故障時(shí)會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行電壓產(chǎn)生影響，故障切除后系統(tǒng)電壓恢復(fù)正常，即使是瞬間故障的情況下，非故障線路也會(huì)影響而產(chǎn)生短暫的低電壓，電壓降低的幅值和時(shí)間會(huì)因故障類型不同有所區(qū)別，電壓有效值快速下降到額定值的90%～10%，持續(xù)時(shí)間為10 ms～1 min國際電工學(xué)界定義這一現(xiàn)象為電壓暫降[1－3](voltage sag)。電能質(zhì)量關(guān)系到用電設(shè)備的平穩(wěn)高效運(yùn)行，地區(qū)電網(wǎng)在運(yùn)行中供電可靠性和供電質(zhì)量是供電部門工作中的重點(diǎn)，但暫態(tài)電壓質(zhì)量常常影響電網(wǎng)中的敏感設(shè)備運(yùn)行，電網(wǎng)運(yùn)行中出現(xiàn)在電壓暫降這一客觀問題，一直難以解決[4－6]。目前學(xué)術(shù)界主要從理論層面對(duì)電壓暫降的指標(biāo)[7]、檢測(cè)識(shí)別[8]、暫降源的定位方法[9]做了大量研究。

隨著地區(qū)電網(wǎng)快速發(fā)展，220kV線路已成為地區(qū)電網(wǎng)的主要輸電線路，220kV輸電線路發(fā)生故障時(shí)電壓暫降凹陷域大，影響范圍廣，具有典型意義。220kV輸電線路故障中單相故障占到絕大部分，本文以江津電網(wǎng)為調(diào)查對(duì)象，通過對(duì)220kV輸電線路的保護(hù)配備，繼電保護(hù)動(dòng)作情況，線路故障情況的統(tǒng)計(jì)分析，找出220kV輸電線路故障時(shí)產(chǎn)生電壓暫降的特性，提出從電網(wǎng)運(yùn)行側(cè)消除電壓暫降的難點(diǎn)。

通過調(diào)查地區(qū)電網(wǎng)中電壓暫降對(duì)敏感負(fù)荷的受影響程度，并且結(jié)合當(dāng)前的技術(shù)手段，提出從負(fù)荷側(cè)降低電壓暫降影響的措施。

1 220kV線路故障產(chǎn)生電壓暫降的時(shí)間特性及

220kV及以上電網(wǎng)的所有運(yùn)行設(shè)備都有兩套交、直流輸入、輸出回路相互獨(dú)立，并分別控制不同斷路器的繼電保護(hù)裝置進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)任一套繼電保護(hù)裝置或任一組斷路器拒絕動(dòng)作時(shí)，能由另一套繼電保護(hù)裝置操作另一個(gè)斷路器切除故障。在所有情況下，這兩套繼電保護(hù)裝置和斷路器所取的直流電源都經(jīng)由不同的熔斷器供電。

為滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求，220kV輸電線路一般配兩套全線速動(dòng)保護(hù)(縱聯(lián)保護(hù))作為主保護(hù)，利用通信通道將雙端測(cè)量的電氣量傳送到對(duì)側(cè)，根據(jù)特定的關(guān)系判定區(qū)內(nèi)或者區(qū)外故障，達(dá)到瞬時(shí)切除全線故障的目的。縱聯(lián)保護(hù)不反應(yīng)被保護(hù)線路以外的故障，可以保護(hù)線路全長，不受系統(tǒng)振蕩影響，不用與相鄰線路相配合，能反應(yīng)各種類型的短路故障，靈敏度高能瞬時(shí)切除故障。

220kV線路采用的LFP、RCS、CSC成套保護(hù)裝置，縱差保護(hù)距離Ⅰ段，零序Ⅰ段均為瞬時(shí)跳閘(0 s)，但經(jīng)過微機(jī)保護(hù)從交流采樣輸入，邏輯判斷，保護(hù)啟動(dòng)至出口，斷路器分閘這一過程，在全線速動(dòng)保護(hù)(光纖縱差、相差高頻、方向高頻)中實(shí)際的故障切除時(shí)間tsag為:

tp為保護(hù)裝置固有動(dòng)作時(shí)間，tp由以下幾個(gè)時(shí)間組成:數(shù)據(jù)采集時(shí)間、信息比較時(shí)間、邏輯判斷時(shí)間、信息傳輸時(shí)間和出口繼電器動(dòng)作時(shí)間。對(duì)于近端故障，階段式距離保護(hù)可以直接動(dòng)作(無需通道傳輸信息)，由于在線路保護(hù)裝置中普遍增加了工頻變化量距離元件，在近端側(cè)約20%的范圍內(nèi)發(fā)生故障，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間最短可在10 ms內(nèi)。從保護(hù)設(shè)備的技術(shù)說明上標(biāo)注保護(hù)裝置固有動(dòng)作時(shí)間tp＜50 ms。

ts為斷路器固有分閘時(shí)間，實(shí)際試驗(yàn)測(cè)量中ts為24～27 ms之間，一般 ts＜30 ms。

通過對(duì)故障切除時(shí)間的構(gòu)成分析，當(dāng)保護(hù)裝置在正確動(dòng)作時(shí)，在最不利的故障切除情況下，故障切除時(shí)限tsag＜80 ms。

對(duì)地區(qū)電網(wǎng)中最近兩年220kV線路故障跳閘的情況分析，根據(jù)表1的統(tǒng)計(jì)可以看出220kV輸電線路由于電壓等級(jí)高，相間距離大，故障類型中單接地故障最多，故障切除時(shí)間短。輸電線路故障時(shí)保護(hù)出口時(shí)間多在10 mS左右，保護(hù)裝置上記錄的這個(gè)時(shí)間不包括出口繼電器的動(dòng)作時(shí)間。

表1 220kV輸電線路故障情況統(tǒng)計(jì)表

從情況統(tǒng)計(jì)來看故障切除時(shí)間多為40 ms～70 ms之間。根據(jù)故障錄波裝置記錄的220kV黃雙北線跳閘的故障錄波圖可以清晰看出，故障相產(chǎn)生約3個(gè)周波的電壓暫降，具體如圖1所示。

繼電保護(hù)裝置由感應(yīng)、電磁式發(fā)展到集成、微機(jī)式，繼電保護(hù)的四性已有明顯的提升，保護(hù)裝置的固有動(dòng)作時(shí)間已明顯縮短，輸電線路發(fā)生故障時(shí)能夠快速將故障線路切除，已能滿足電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性要求。電壓暫降的定義為供電電壓有效值快速下降到額定值的90% ～10%，持續(xù)時(shí)間為10 ms～1 min，如果要進(jìn)一步提高故障切除時(shí)間到10 ms以內(nèi)，就需要大幅度提高保護(hù)裝置的固有動(dòng)作時(shí)間和斷路器的固有分閘時(shí)間，這是從電網(wǎng)運(yùn)行消除電壓暫降的困難之一。

220kV輸電線路多為架空導(dǎo)線架設(shè)于戶外，線路總會(huì)因各種原因造成故障跳閘，如雷擊、覆冰等災(zāi)害性天氣，外力破壞，節(jié)日期間放飛的孔明燈、風(fēng)箏都可能對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行造成威脅，這些因素又成為從電網(wǎng)運(yùn)行側(cè)消除電壓暫降的困難之一。

2 220kV線路故障產(chǎn)生電壓暫降的電壓特性及敏感負(fù)荷影響分析

在圖1中可以清晰的看出220kV輸電線路故障后，會(huì)產(chǎn)生較大電壓降幅，通過分析故障錄波數(shù)據(jù)可以得出220kV線路故障后產(chǎn)生的最低故障電壓，在調(diào)度運(yùn)行部門通過對(duì)主要用戶的調(diào)查，對(duì)負(fù)荷曲線的查閱可以統(tǒng)計(jì)得出單次電壓暫降對(duì)供區(qū)內(nèi)敏感負(fù)荷的影響程度，通過對(duì)江津地區(qū)電網(wǎng)220kV線路故障后統(tǒng)計(jì)得出表2中數(shù)據(jù)。

圖1 220kV輸電線路故障錄波圖

圖2 relayCAC仿真輸變電線路故障的模型

表2 電壓暫降最低故障電壓和負(fù)荷損失

為驗(yàn)證220kV輸電線路故障產(chǎn)生的電壓暫降電壓跌幅，采用如圖2中的仿真模型，以220kV黃雙北線實(shí)際的故障距離、故障相別來驗(yàn)算，220kV線路在系統(tǒng)大方式下，220kV黃雙北線在出線38%的地方產(chǎn)生A相短路接地后，驗(yàn)算得出了各電壓等級(jí)母線的最低電壓，如表3、表4。驗(yàn)算結(jié)果和故障錄波數(shù)據(jù)一致。并且通過仿真結(jié)果可以看到受電壓暫降影響，由該220kV變電站供電的110kV，10kV母線電壓均有明顯的下降。

表3 故障點(diǎn)電壓/電流

表4 發(fā)生故障瞬間各母線電壓

隨著科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，負(fù)荷性質(zhì)已悄然改變，如可調(diào)速電機(jī)，可編程控制器，交流接觸器對(duì)電壓質(zhì)量的要求極高，超過10 ms，0.9 PU的電壓就會(huì)停止工作[10]，電網(wǎng)中接入的這一類負(fù)荷稱為敏感負(fù)荷。另一方面隨著電網(wǎng)建設(shè)的加快工業(yè)園區(qū)的興建使，負(fù)荷與負(fù)荷之間的聯(lián)系越來越緊密，某一條線路的故障都會(huì)影響到同一系統(tǒng)中其它負(fù)荷的運(yùn)行。在調(diào)度運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)生因220kV線路故障跳閘，導(dǎo)致與該故障線路連接兩個(gè)220kV變電站負(fù)荷損失的情況，這些損失負(fù)荷有220kV變電站所供電的110kV，35kV，10kV電壓等級(jí)的負(fù)荷，220kV線路作為主要的輸電線路，發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生的電壓暫降會(huì)形成一個(gè)瞬時(shí)低電壓的凹陷域，這一瞬時(shí)低電壓的凹陷域較配電網(wǎng)線路故障產(chǎn)生的凹陷域大，影響的敏感設(shè)備更多[11]。

根據(jù)圖3最低故障電壓與持續(xù)時(shí)間分布及表2電壓暫降最低故障電壓和負(fù)荷損失統(tǒng)計(jì)分析，可以看出產(chǎn)生電壓暫降的平均時(shí)間為45 ms左右，平均最低故障電壓0.5 PU。

(1)最低故障電壓高于0.9 PU以上時(shí)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷無明顯影響。

(2)最低故障電壓在0.9 PU至0.6 PU之間時(shí)電網(wǎng)負(fù)荷對(duì)電壓暫降的幅值更敏感。

(3)最低故障電壓低于0.6 PU時(shí)，電網(wǎng)負(fù)荷對(duì)電壓暫降的持續(xù)的時(shí)間更敏感。

圖3 最低故障電壓與持續(xù)時(shí)間分布

3 應(yīng)對(duì)電壓暫降的措施

電壓暫降是電網(wǎng)運(yùn)行中難以避免的電能質(zhì)量問題，供電部門已從電網(wǎng)側(cè)采取了減少電壓暫降次數(shù)的措施，包括一些常見的方法如全線裝設(shè)架空地線，安裝可控避雷針提高線路的耐雷水平，定期巡線砍伐超高樹竹，架設(shè)絕緣導(dǎo)線，架空線入地等。電網(wǎng)運(yùn)行中不斷加大線路維護(hù)力度，減少線路故障的發(fā)生，不斷提高輸變電設(shè)備防雷水平，減少自然災(zāi)害對(duì)輸變?cè)O(shè)備的破壞，并且合理安排運(yùn)行方式，盡量減小線路故障時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響。

對(duì)改造困難的設(shè)備來說可以通過在高敏感負(fù)荷設(shè)備裝設(shè)UPS或者恒壓調(diào)壓器，對(duì)大功率負(fù)荷可采用動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)補(bǔ)償電壓暫降。DVR主要用于可靠性和質(zhì)量要求很高的用戶，當(dāng)電源電壓發(fā)生變化時(shí)(無論是升高、降低或波形畸變)，在幾毫秒中可將畸變波形補(bǔ)償正常[12]。DVR是串聯(lián)在線路上的，DVR通過串聯(lián)在饋線上以電壓疊加的方式注入配電系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)側(cè)及負(fù)荷側(cè)無不利影響。

4 結(jié)束語

工業(yè)園區(qū)的大工業(yè)負(fù)荷密集，大量精密生產(chǎn)設(shè)備對(duì)電壓質(zhì)量的要求苛刻。電網(wǎng)的發(fā)展使得負(fù)荷與負(fù)荷之間的聯(lián)系越來越緊密，雖然人們?yōu)闇p少電壓暫降的產(chǎn)生已做出大量努力，但電網(wǎng)運(yùn)行中受氣象災(zāi)害、外力破壞造成的輸電線路跳閘難以避免，繼電保護(hù)的發(fā)展能將故障設(shè)備在瞬時(shí)切除，提高了電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性，當(dāng)前故障切除時(shí)間不能滿足消除電壓暫降的要求，盡可能的縮短斷路器在故障情況下的分閘時(shí)間，縮短保護(hù)的出口時(shí)間，能夠緩解電壓暫降對(duì)敏感負(fù)荷的影響。改進(jìn)敏感負(fù)荷對(duì)瞬時(shí)低電壓的耐受能力，在負(fù)荷側(cè)增加輔助設(shè)備，是減少電壓暫降的影響有效措施。

[1]IEC61000－4－11，Testing and measurement techniques－voltage dips，short interruption and voltage variations immunity test[S].

[2]IEC61000－4－30，Testing and measurement techniques－power quality measurement methods[S].

[3]IEEE Std 1159 －1995，IEEE recommended practice for monitoring electric power quality[S]，1995.

[4]鐘慶，易楊，武志剛，等.電力電壓暫降問題分析與仿真[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2008，20(6):102 －106.

[5]肖先勇，馬超，楊洪耕，李華強(qiáng).用電壓暫降嚴(yán)重程度和最大熵評(píng)估負(fù)荷電壓暫降敏感度[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29(31):115 －120.

[6]林海雪.現(xiàn)代電能質(zhì)量的基本問題[J].電網(wǎng)技術(shù)，2001，25(1):5－12.

[7]林焱，吳丹岳，章雪萌，等.電壓暫降指標(biāo)的探討[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(3):147 －152.

[8]呂干云，方奇品，蔡秀珊.基于多分類支持向量機(jī)的電壓暫降源識(shí)別[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(22):151 －155.

[9]呂干云，孫維蒙，汪曉東，等.電力系統(tǒng)電壓暫降源定位方法綜述[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(23):241 －245.

[10]王賓，潘貞存，徐丙垠.配電系統(tǒng)電壓跌落問題分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004，28(2):56 －59.

[11]常學(xué)飛，田立軍，秦英林.一種精確確定電壓暫降凹陷域的算法[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2010，31(4)64 －68.

[12]雷之力，艾欣，崔明勇.微網(wǎng)電壓暫降串并聯(lián)協(xié)調(diào)補(bǔ)償策略[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，37(5):1－5.