吳建云

（國網(wǎng)寧夏電力公司電力調(diào)度控制中心，寧夏 銀川，750001）

短路電流換路產(chǎn)生的直流分量問題分析

吳建云

（國網(wǎng)寧夏電力公司電力調(diào)度控制中心，寧夏 銀川，750001）

針對寧夏電網(wǎng)發(fā)生的一起罕見的因短路電流換路產(chǎn)生直流分量導(dǎo)致開關(guān)分閘失敗的事故案例，對目前電網(wǎng)繼電保護(hù)配置和重合閘方式進(jìn)行深入分析，提出了調(diào)整線路重合閘方式的解決方案，并在寧夏電網(wǎng)中進(jìn)行應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明：該方法有效解決了因短路電流換路產(chǎn)生的直流分量問題。

短路電流；直流分量；分閘失??；重合閘

目前，國內(nèi)220 kV及以上線路均采用單相重合閘方式，固定時間無檢定重合，經(jīng)過多年運行，該方式在保障電網(wǎng)安全供電和可靠運行發(fā)揮了重要作用，但隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，短路容量不斷增大，直流分量對電網(wǎng)的影響日益突出［1］。2016年5月，寧夏電網(wǎng)發(fā)生一起因線路兩側(cè)系統(tǒng)短路容量強弱相差較大，開關(guān)重合時間不一致造成換路產(chǎn)生的直流分量問題，直流分量較大造成斷路器無法滅弧，開關(guān)分閘失敗，故障由母線失靈保護(hù)動作切除，事故造成開關(guān)機(jī)構(gòu)損壞，故障范圍擴(kuò)大，對電網(wǎng)造成較大影響。

1 故障分析及需要解決的問題

1.1 故障分析

2016年5 月，寧夏電網(wǎng)發(fā)生一起罕見的因短路電流換路引起的直流分量問題，事故造成開關(guān)損壞，事故范圍擴(kuò)大。故障發(fā)生前系統(tǒng)運行方式如圖1所示，±660 kV銀東直流額定輸送功率為4 GW，京能電廠裝機(jī)容量為1.32 GW，京川I、II線線路配置RCS-931BM、CSC-103C保護(hù)，銀川東換流站7531、7530、7532成串運行，京能電廠側(cè)7521、7520、7522成串運行，邊開關(guān)重合閘時間為0.6 s，中開關(guān)重合閘時間為1.2 s。

圖1 故障前系統(tǒng)運行方式

事故起因為銀川東換流站7530開關(guān)B相靠近Ⅰ母線側(cè)CT下端盆式絕緣子對地放電，由于故障點位于銀川東換流站7530斷路器B相靠近Ⅰ母線側(cè)，7530開關(guān)CT布置于開關(guān)斷口兩側(cè)，因此故障點在川京Ⅱ線和川靈Ⅱ線線路保護(hù)范圍內(nèi)，750 kV川京Ⅱ線和川靈Ⅱ線兩套線路差動保護(hù)均動作跳開線路兩側(cè)故障相，經(jīng)過0.6 s左右延時后，兩側(cè)線路對應(yīng)邊開關(guān)重合于永久故障，線路保護(hù)加速段動作，跳開川京Ⅱ線和川靈Ⅱ線兩側(cè)對應(yīng)的邊開關(guān)與中開關(guān)，在川京Ⅱ線7522開關(guān)重合于永久故障時刻，線路保護(hù)在加速段動作跳開7522開關(guān)時，由于7522開關(guān)失靈，最終引起京能電廠側(cè)750 kVⅡ母失靈出口跳開Ⅱ母所有連接開關(guān)，切除故障。

圖2 京能電廠側(cè)開關(guān)先重合后故障電流流向

圖2為京能電廠側(cè)開關(guān)先重合后的故障電流流向，由于川京II線兩側(cè)單相重合閘時間不一致，銀川東換流站側(cè)晚于京能電廠側(cè)重合，在京能電廠7522開關(guān)先合閘時，系統(tǒng)與發(fā)電廠一起通過經(jīng)川京I線向故障點提供短路電流（流經(jīng)電廠側(cè)開關(guān)短路電流較大，約為22 kA）。

圖3 線路兩側(cè)開關(guān)均重合后故障電流流向

圖3所示為線路兩側(cè)開關(guān)均重合后的故障電流流向，在銀川東換流站側(cè)7531開關(guān)合閘時，京能電廠側(cè)7522開關(guān)還未分閘，此時系統(tǒng)提供的短路電流主要通過銀川東換流站側(cè)開關(guān)流入故障點，京能電廠側(cè)提供的短路電流較小（2.5 kA），流過電廠側(cè)開關(guān)的短路電流工頻分量突降，產(chǎn)生較大直流分量［2］，且銀川東換流站側(cè)開關(guān)在短路電流峰值時重合，故障電流最大，直流分量最嚴(yán)重［3］。

通過對故障機(jī)理分析，京能電廠7522開關(guān)分閘失敗導(dǎo)致斷路器重合于故障后分閘失敗原因有以下4方面：

（1）聯(lián)絡(luò)斷面兩側(cè)系統(tǒng)的短路容量存在較大差別（系統(tǒng)特性）；

（2）短路電流直流分量衰減時間常數(shù)大［4］，特別是發(fā)電廠近區(qū)（系統(tǒng)特性）；

（3）兩側(cè)開關(guān)重合動作不一致：弱系統(tǒng)側(cè)先重合、強系統(tǒng)側(cè)后重合（概率分布）；

（4）后重合的時機(jī)：短路電流峰值處重合，直流分量最嚴(yán)重［5］（概率分布）。

兩回及以上并聯(lián)線路兩側(cè)系統(tǒng)短路容量相差較大時，當(dāng)故障線路重合于永久故障，由于目前220 kV及以上線路均采用單重?zé)o條件重合方式，重合閘實際時間存在一定離散性，兩側(cè)重合閘時間并不完全一致；如果系統(tǒng)短路容量較小側(cè)斷路器先合，此時全部短路電流均流過先合側(cè)斷路器，系統(tǒng)短路容量較大側(cè)斷路器合閘后，較大的故障電流由先合斷路器轉(zhuǎn)移至后合斷路器，因系統(tǒng)電感元件存在，電流不能發(fā)生突變［6］，會在先合斷路器中產(chǎn)生較大的直流分量，且系統(tǒng)短路容量較小側(cè)提供短路電流較小，較大的直流分量疊加一個較小的周期分量，導(dǎo)致斷路器出現(xiàn)電流沒有過零點、無法滅弧情況［7］，最終靠失靈保護(hù)動作延時切除故障［8］。

在電網(wǎng)運行中，因直流分量問題并未直接引發(fā)安全問題，因此在短路電流計算、運行方式安排和保護(hù)配置等方面并未考慮直流分量問題［9］。該問題普遍存在于220 kV及以上電網(wǎng)中，因發(fā)生概率低，一直未受到關(guān)注。類似故障案例在國內(nèi)外均比較罕見，相關(guān)研究及對策在國內(nèi)外目前均沒有較為成熟的經(jīng)驗可供借鑒。文獻(xiàn)［10］中對東北電網(wǎng)發(fā)生的類似故障進(jìn)行了分析，這是國內(nèi)外僅有的類似案例，但該文中未提出結(jié)合實際的具體解決方案。

1.2 需要解決的問題

根據(jù)以上分析結(jié)果可以看出，因系統(tǒng)短路容量差別、短路電流直流分量衰減時間常數(shù)為系統(tǒng)固有特性［11］，開關(guān)合閘時的短路電流為概率分布，以上3個因素均無法改變，只能通過調(diào)整兩側(cè)開關(guān)重合動作行為來解決直流分量問題［12］。因此，為避免電網(wǎng)再次出現(xiàn)類似上述故障，需要解決如下問題：

（1）解決不同主接線方式線路的重合閘實際重合時間存在的離散性問題，防止出現(xiàn)重合閘時間不一致造成短路電流換路產(chǎn)生直流分量。

（2）在投入單相重合閘檢三相有壓功能時，需考慮相關(guān)保護(hù)配置、保護(hù)邏輯及特殊接線方式下重合閘功能的適應(yīng)性問題，避免出現(xiàn)其他隱患。

2 解決方案

因目前國內(nèi)220 kV及以上線路均采用單相重合閘無條件重合，為解決該方式下的重合閘時間不一致導(dǎo)致的直流分量問題，通過調(diào)整線路重合閘方式［13］，固定一側(cè)后合，可有效解決該問題。因不同主接線方式下的保護(hù)配置及運行方式不同，需根據(jù)線路接線方式不同、保護(hù)配置不同，采用不同的實現(xiàn)方法［14］。

2.1 不同主接線方式下的線路重合閘方式調(diào)整

2.1.1 線路兩側(cè)為雙母接線方式

對于兩側(cè)均為雙母接線的線路，采用弱系統(tǒng)側(cè)重合閘時間延遲0.3 s的方式。線路弱系統(tǒng)側(cè)重合閘方式通過延時固定后重合，為確保在線路發(fā)生永久性故障時先重合側(cè)（強系統(tǒng)側(cè)）重合于故障跳閘后，后重合側(cè)（弱系統(tǒng)側(cè)）不再重合直接跳閘，避免后重合側(cè)再次重合對電網(wǎng)造成沖擊，需線路保護(hù)具備重合于永久故障的聯(lián)跳功能［15］。

對于線路保護(hù)不具備聯(lián)跳功能的線路，弱側(cè)重合閘退出［16］。對雙回或三回線路并網(wǎng)的電廠、終端變，在線路檢修僅單線運行方式時，為提高供電可靠性，投入運行線路重合閘［17］。

2.1.2 線路一側(cè)為3/2接線，另一側(cè)為雙母接線

在3/2接線側(cè)投入單重檢三相有壓功能。投單相重合閘檢三相有壓功能側(cè)線路需配置線路三相PT，且保護(hù)裝置具備單重檢三相有壓功能［18］。在線路發(fā)生單相故障時，線路兩側(cè)保護(hù)動作單相跳閘，雙母線側(cè)因重合閘不檢（檢同期、檢電壓），經(jīng)固定延時后自動重合，若為永久性故障，則雙母接線側(cè)后加速保護(hù)動作跳三相，3/2接線側(cè)因重合閘投入檢三相有壓功能，線路三相有壓條件不滿足，開關(guān)不再重合，由對側(cè)聯(lián)跳或開關(guān)三相不一致保護(hù)動作跳三相；若為瞬時性故障，則雙母接線側(cè)重合成功，3/2接線側(cè)在經(jīng)過重合閘延時后檢線路三相均有電壓，滿足條件重合。

對于保護(hù)裝置不具備單重檢三相有壓功能的線路，采取弱系統(tǒng)側(cè)重合閘時間延遲0.3 s的方式，同時，要求線路保護(hù)具備差動聯(lián)調(diào)功能，若不具備則需退出弱側(cè)系統(tǒng)線路重合閘，在線路檢修僅單線運行方式時投入［19］。

2.1.3 線路兩側(cè)均為3/2接線方式

對于線路兩側(cè)均為3/2接線方式的線路，在一側(cè)投入單重檢三相有壓功能［20］。若兩側(cè)斷路器保護(hù)均不具備單重檢三相有壓功能，考慮線路重合閘時間與三相不一致保護(hù)時間配合，采取弱側(cè)重合閘時間長于強側(cè)最長重合閘時間0.1～0.2 s的措施。因已經(jīng)過仿真驗證，在短路容量小的一側(cè)發(fā)生故障、短路容量大的一側(cè)先重合的情況下，開關(guān)無法分閘的風(fēng)險極小，因此僅需躲過強側(cè)系統(tǒng)重合時間即可［21］。

2.2 單相重合閘檢三相有壓保護(hù)功能適應(yīng)性

2.2.1 線線串接線中斷路器保護(hù)無法滿足2條線路均實現(xiàn)單重檢三相有壓功能

部分?jǐn)嗦菲鞅Ｗo(hù)裝置只具備一路三相電壓和一路單相電壓輸入，只能實現(xiàn)其中1條線路單重檢三相有壓功能。因此，對于3/2接線方式變電站，在同一串2條線路均需在本側(cè)投入單重檢三相有壓功能時，因中斷路器保護(hù)配置只能實現(xiàn)1條線路的單重檢三相有壓功能，因此無法同時在本側(cè)采取單重檢三相有壓重合［22］，需通過2條線路在不同側(cè)實現(xiàn)單重檢三相有壓功能，或延長弱系統(tǒng)側(cè)線路重合閘時間解決。

2.2.2 單重檢三相有壓邏輯不滿足要求

圖4 不滿足要求的單重檢三相有壓邏輯

圖4所示為部分?jǐn)嗦菲鞅Ｗo(hù)的單重檢三相有壓重合邏輯，具體邏輯為在線路三相均有壓后，再進(jìn)行單重時間計時。如這種情況下投入單重檢三相有壓功能，則后重合側(cè)重合閘時間無故延長，易造成與三相不一致保護(hù)時間失配。在這種邏輯情況下，如將投單重檢三相有壓側(cè)的重合閘時間改為0 s（或0.1 s），則在開關(guān)偷跳時，重合閘時間不滿足要求［23］。因此，需對保護(hù)裝置進(jìn)行升級或更換，更換后邏輯應(yīng)如圖5所示，將單重檢三相有壓功能邏輯改為：線路檢三相有壓和單重延時同時進(jìn)行邏輯判斷，均滿足條件后經(jīng)單重延時出口。

圖5 滿足要求的單重檢三相有壓邏輯

2.2.3 與單回終端站線路同串時存在單相故障無法重合問題

圖6 線路與單回終端站線路同串的主接線

圖6所示為線路與單回終端站線路同串的主接線，當(dāng)須投入3330開關(guān)單重檢三相有壓的330 kV線路（II線）與終端站單回并網(wǎng)線路（I線）同串時，在邊（3331）開關(guān)檢修方式下，若線路發(fā)生單相故障，則因終端站側(cè)線路開關(guān)重合成功后線路仍不是三相全電壓，造成中開關(guān)無法重合。對于經(jīng)雙回線路并網(wǎng)的終端站在系統(tǒng)側(cè)投入單重檢三相有壓時，也存在同樣的問題［24］。因此，需通過在線路（II線）另一側(cè)投入單重檢三相有壓功能，或采取延長弱系統(tǒng)側(cè)線路重合閘時間解決。

3 效果評價

上述直流分量問題解決方案已在寧夏電網(wǎng)中進(jìn)行了實際應(yīng)用，對寧夏電網(wǎng)220 kV及以上可能存在直流分量問題的68條線路進(jìn)行了重合閘方式調(diào)整，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)：

（1）通過對重合閘方式的調(diào)整，實現(xiàn)了固定線路一側(cè)重合閘后合，有效解決了重合閘時間不一致造成短路電流換路產(chǎn)生的直流分量問題。

（2）通過對保護(hù)配置、保護(hù)邏輯等細(xì)節(jié)問題的分析，提出的保護(hù)功能、邏輯升級等解決方法，提升了投入單相重合閘檢三相有壓功能時的保護(hù)適應(yīng)性，杜絕了次生隱患的發(fā)生。

（3）2017年8月220 kV西吉甲、乙線相繼發(fā)生故障，兩側(cè)線路重合閘均正確動作，未發(fā)生直流分量問題，驗證了該方案的正確性和合理性。

4 結(jié)論

（1）采用單相重合閘無條件重合方式的線路，在兩回及以上并聯(lián)線路兩側(cè)系統(tǒng)短路容量強弱相差較大時，線路發(fā)生單相永久故障后，存在因兩側(cè)重合不一致產(chǎn)生直流分量導(dǎo)致開關(guān)無法分閘的風(fēng)險。

（2）通過調(diào)整重合閘方式固定線路一側(cè)重合閘后合，可有效解決故障直流分量導(dǎo)致斷路器無法分閘問題。對于3/2接線方式，采取在線路一側(cè)投入單重檢三相有壓方式解決；不具備單重檢三相有壓功能的線路，若保護(hù)具備聯(lián)調(diào)功能則采取弱側(cè)系統(tǒng)延長重合時間的方式解決，線路保護(hù)不具備聯(lián)跳功能則采取弱側(cè)系統(tǒng)重合閘停運的方式。

（3）本文首次提出了針對短路電流換路產(chǎn)生直流分量問題的解決方案，并在寧夏電網(wǎng)應(yīng)用，對于在全國范圍內(nèi)解決220 kV及以上電網(wǎng)故障直流分量問題提供了解決方案，具有重要的工程應(yīng)用價值。

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Problem analysis of DC component caused by short-circuit current change

Wu Jian yun
（Dispatching&Control Center of State Grid Ningxia Power Co.,Yinchuan Ningxia 750001,China）

A rare accident happened in Ningxia power grid due to the failure of the switching ofDC component caused by short-circuit current switching,combined with the current configuration of relay protection and reclosing mode,puts forward solutions through adjusting reclosing mode,and application in Ningxia power system,the results show that this method can effectively solve the DC component problems caused by short circuit current change.

short-circuit current;DC component;Gate failure;Reclosing

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.05.009

2017-05-26

吳建云（1986），男，工程師，現(xiàn)從事繼電保護(hù)工作。

TM 773

B

1672-3643（2017）05-0055-05

有效訪問地址：http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.05.009