劉明君，尹茂林，林 山，楊 福

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250011）

0 引言

隨著電氣革命的深入推進(jìn)以及信息化社會(huì)全面發(fā)展，電力作為支撐電氣信息革命和網(wǎng)絡(luò)與信息化社會(huì)發(fā)展的首要能源，其供電可靠性直接影響人們對(duì)便捷的信息化社會(huì)的體驗(yàn)以及社會(huì)全面發(fā)展成果的享受。特別是隨著國(guó)家電力體制改革的深入推進(jìn)和國(guó)家電網(wǎng)有限公司的自我革新轉(zhuǎn)型之后，創(chuàng)造性地提出了建設(shè)“三型兩網(wǎng)，世界一流”戰(zhàn)略目標(biāo)［1］，這一戰(zhàn)略目標(biāo)對(duì)電網(wǎng)持續(xù)不間斷地提供優(yōu)質(zhì)安全可靠的電力能源以及更好地服務(wù)廣大電力用戶提出了更高的要求。

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電力電子元件的廣泛應(yīng)用、新能源的大規(guī)模接入以及復(fù)雜的電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境，電網(wǎng)出現(xiàn)故障在所難免，因此，故障發(fā)生后如何短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)用戶供電顯得尤為重要。

目前，針對(duì)發(fā)生概率較大的單相接地故障，架空輸電線路發(fā)生故障跳閘后，可利用重合閘技術(shù)恢復(fù)供電［2］。對(duì)于架空線和電纜混合的輸電線路則需要停用重合閘，導(dǎo)致無(wú)法通過(guò)重合閘恢復(fù)輸電線路供電，此時(shí)，調(diào)度員一般利用故障錄波、輸電線路參數(shù)、故障處理經(jīng)驗(yàn)等信息決定是否實(shí)施強(qiáng)送，強(qiáng)送成功則恢復(fù)供電，否則會(huì)繼續(xù)停電，從而造成負(fù)荷損失。而對(duì)于全電纜線路、故障點(diǎn)發(fā)生在電纜范圍內(nèi)等按照調(diào)度規(guī)程不能強(qiáng)送的線路［3］，則需通過(guò)其他方案恢復(fù)負(fù)荷。因此，必須提前制定負(fù)荷恢復(fù)預(yù)案以提高故障處理效率和負(fù)荷恢復(fù)速度。

基于某地區(qū)電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，以市區(qū)220 kV A 站全停故障為例，提出了一種利用中壓側(cè)反帶主變壓器恢復(fù)低壓側(cè)負(fù)荷的應(yīng)急運(yùn)行方案，大大縮短負(fù)荷恢復(fù)時(shí)間，提高負(fù)荷恢復(fù)效率，并從繼電保護(hù)配合、負(fù)載驗(yàn)證、電壓驗(yàn)證3 個(gè)方面驗(yàn)證了所提方法的可行性，為處理220 kV A 站全停故障以及處理類似故障提供了一種切實(shí)可行的處理方案。

1 問(wèn)題提出

1.1 變電站全停故障處理一般方法

在實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行中，當(dāng)上一級(jí)電源失電導(dǎo)致變電站全停，10 kV 配電網(wǎng)的負(fù)荷恢復(fù)一般按照以下方式進(jìn)行：1）拉開主變壓器10 kV 側(cè)所有出線開關(guān)；2）將10 kV 側(cè)出線由手拉手線路調(diào)出；3）將10 kV雙電源用戶調(diào)出、不能調(diào)出的由手拉手線路反帶母線視情況恢復(fù)。但是此方案存在負(fù)荷恢復(fù)速度慢這一缺點(diǎn)。首先，一座變電站中10 kV 出線大多為20～30 條，逐一拉開10 kV 側(cè)所有出線開關(guān)費(fèi)時(shí)費(fèi)力；其次，在進(jìn)行手拉手線路負(fù)荷調(diào)出的操作中還需操作人員現(xiàn)場(chǎng)的配合，同樣會(huì)存在負(fù)荷恢復(fù)慢的弊??；最后，還需要核實(shí)雙電源用戶是否已經(jīng)轉(zhuǎn)供，未轉(zhuǎn)供的負(fù)荷通過(guò)手拉手線路反帶10 kV 母線恢復(fù)，這一操作過(guò)程繁瑣低效、難以快速恢復(fù)負(fù)荷。因此，迫切需求尋找一種變電站全停故障狀態(tài)下的負(fù)荷快速恢復(fù)方案。

變電站中110 kV 系統(tǒng)所帶負(fù)荷大多是110 kV變電站或高壓工業(yè)用戶，當(dāng)110kV 系統(tǒng)失電時(shí)，110 kV變電站可備投至其他變電站供電，而高壓工業(yè)用戶一般自備電廠或雙電源供電，一般不會(huì)損失負(fù)荷。

1.2 變電站全停故障處理應(yīng)急方案

上述變電站全停故障狀態(tài)下的負(fù)荷恢復(fù)方案，在恢復(fù)過(guò)程中，除了操作10 kV 出線開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)外，還需恢復(fù)雙電源用戶，制定10 kV 線路反帶母線恢復(fù)負(fù)荷的方案，且由于10 kV 線路所帶負(fù)荷有限，還必須考慮有序用電。此種處理方案費(fèi)時(shí)費(fèi)力且收效甚微。220 kV 變電站（降壓站）多為三繞組變壓器，可利用變電站中110 kV 線路反帶主變壓器對(duì)10 kV 系統(tǒng)恢復(fù)供電，該方案不用對(duì)10 kV 線路進(jìn)行任何操作，方便快速。

以某地區(qū)電網(wǎng)220 kV A 站為例詳細(xì)闡明變電站全停故障狀態(tài)下故障應(yīng)急處理方案，A 站一次系統(tǒng)接線如圖1 所示。由圖1 可知，220 kV A 站共有2路220 kV 電源，5 條110 kV 出線以及23 條10 kV出線。當(dāng)220 kV DC 線停電檢修，220 kV DT 線故障跳閘將造成220 kV A 站全站失電，從而造成所帶110 kV 變電站備投至其他變電站供電（裝有備投裝置的變電站），所帶10 kV 系統(tǒng)負(fù)荷（雙電源用戶除外）全部失電。另外，考慮到220 kV DT 線為全電纜線路，按照《山東電網(wǎng)調(diào)度控制管理規(guī)程》規(guī)定：電纜線路（根據(jù)故障錄波測(cè)距，故障在電纜范圍內(nèi)）不能強(qiáng)送［3］。因此，無(wú)法用強(qiáng)送220 kV DT 線的方案恢復(fù)220 kV A 站負(fù)荷。

圖1 220 kV A 站一次系統(tǒng)接線

考慮到輸電線路故障跳閘造成全站失電的故障中，變電站內(nèi)設(shè)備如變壓器、母線及下級(jí)變電、輸電設(shè)備運(yùn)行正常，因此，可用110 kV BC 線串110 kV AC線再串110 kV 1 號(hào)母線、1 號(hào)主變壓器恢復(fù)220 kV A 站10 kV 負(fù)荷。該方案只需要遙控操作即可完成運(yùn)行方式的調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的快速恢復(fù)。

圖2 220 kV A 站110 kV 系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)圖

2 應(yīng)急方案驗(yàn)證

利用110 kV 線路反帶變壓器恢復(fù)10 kV 系統(tǒng)負(fù)荷的應(yīng)急方案還需進(jìn)一步進(jìn)行繼電保護(hù)、負(fù)載和電壓驗(yàn)證后方可付諸實(shí)施，否則，會(huì)造成故障的進(jìn)一步擴(kuò)大。

2.1 繼電保護(hù)驗(yàn)證

GB／T 14285—2006 《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》規(guī)定［4］：繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置是保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行、保護(hù)電力設(shè)備的主要裝置，在任何情況下，電氣設(shè)備不允許無(wú)保護(hù)運(yùn)行，必要時(shí)可停用部分保護(hù)，但主保護(hù)不允許同時(shí)停用。因此，在應(yīng)急運(yùn)行方式下，應(yīng)首先對(duì)繼電保護(hù)進(jìn)行驗(yàn)證，只有在繼電保護(hù)的配合下，方可進(jìn)行后續(xù)驗(yàn)證和操作。

應(yīng)急運(yùn)行方式下的保護(hù)驗(yàn)證主要內(nèi)容為：1）驗(yàn)證應(yīng)急運(yùn)行方式下線路有無(wú)保護(hù)運(yùn)行；2）驗(yàn)證線路主保護(hù)的保護(hù)范圍能否滿足應(yīng)急運(yùn)行方式的要求；3）應(yīng)急運(yùn)行方式下主變壓器保護(hù)是否配合；4）應(yīng)急運(yùn)行方式下若發(fā)生故障保護(hù)能否配合，即是否出現(xiàn)越級(jí)跳閘。

正常運(yùn)行情況下，110 kV 線路一般配備距離保護(hù)和零序保護(hù)作為線路的主保護(hù)，其中距離Ⅰ段保護(hù)范圍為本線路全長(zhǎng)，距離Ⅱ段保護(hù)范圍為本線路全長(zhǎng)以及下一線路全長(zhǎng)。由于系統(tǒng)零序阻抗主要受變壓器繞組接線方式和中性點(diǎn)接地方式的影響，因此，零序保護(hù)受系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響較?。?］，此處不再單獨(dú)討論。在110 kV BC 線串110 kV AC 線的運(yùn)行方式下，110 kV BC 線的距離Ⅱ段保護(hù)可以保護(hù)110 kV AC 線全長(zhǎng)，而對(duì)于110 kV AC 線因潮流方向改變，其零序和距離主保護(hù)應(yīng)該停用，因110 kV AC 線為全電纜線路，不用考慮停用重合閘。對(duì)于220 kV A 站內(nèi)的主變壓器和母線保護(hù)由于都采用差動(dòng)保護(hù)，不受系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響。由于運(yùn)行方式的改變，應(yīng)急運(yùn)行方式下10 kV 出線速斷保護(hù)會(huì)受影響。速斷保護(hù)的動(dòng)作值為系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下躲過(guò)對(duì)側(cè)相鄰線路出口短路最大故障電流進(jìn)行整定，最大運(yùn)行方式下線路具有最小阻抗值，而在應(yīng)急運(yùn)行方式下線路的阻抗值會(huì)增大，從而使10 kV 出線速斷保護(hù)范圍縮短，但因10 kV 線路過(guò)流Ⅱ段和過(guò)流Ⅲ段能夠覆蓋線路全長(zhǎng)，且10 kV 線路無(wú)全線速動(dòng)的要求，因此應(yīng)急運(yùn)行方式下10 kV 線路保護(hù)滿足要求。

綜上所述，在110 kV BC 線串110 kV AC 線再串110 kV 1 號(hào)母線、1 號(hào)主變壓器恢復(fù)220 kV A 站10 kV 負(fù)荷的應(yīng)急運(yùn)行方式下，可停用110 kV AC 線距離保護(hù)和零序保護(hù)，并盡快將110 kV BC 線執(zhí)行臨時(shí)定值以配合應(yīng)急運(yùn)行方式。

2.2 負(fù)載驗(yàn)證

無(wú)論在正常運(yùn)行方式還是應(yīng)急運(yùn)行方式下，電力設(shè)備都不能長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載運(yùn)行。因此在進(jìn)行方式調(diào)整以及故障處理時(shí)需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行負(fù)載驗(yàn)證，需保證操作后電力設(shè)備不過(guò)載運(yùn)行。

負(fù)載驗(yàn)證主要驗(yàn)證應(yīng)急運(yùn)行方式下，線路所帶負(fù)荷不超過(guò)其允許負(fù)荷，其視在功率計(jì)算公式為

式中：S 為視在功率；Up為相電壓；Ip為相電流。

110 kV BC 線和110 kV AC 線均為全電纜線路，限流600 A。由式（1）計(jì)算可得到110 kV BC 線和110 kV AC 線的允許視在功率為114 MWA。在功率因數(shù)為0.95 時(shí)，110 kV BC 線或110 kV AC 線可分別帶108 MW 的有功負(fù)荷。

根據(jù)系統(tǒng)顯示，220 kV A 站10 kV 系統(tǒng)有功負(fù)荷最大值為26 MW，110 kV C 站有功負(fù)荷最大值為30 MW，兩者有功負(fù)荷共計(jì)56 MW，遠(yuǎn)小于110 kV BC 線和110 kV AC 線允許所帶負(fù)荷，而且設(shè)備也不會(huì)出現(xiàn)重載情況。因此，可以采用110 kV BC 線串110 kV AC 線再串110 kV 1 號(hào)母線、1 號(hào)主變壓器恢復(fù)220 kV A 站10 kV 負(fù)荷的應(yīng)急運(yùn)行方式。

2.3 電壓驗(yàn)證

電力設(shè)備安全運(yùn)行除了保證電流不越限外，還需保證電壓不越限，即保證電氣設(shè)備運(yùn)行電壓在允許范圍內(nèi)。考慮到電纜線路中因容性無(wú)功的存在，輸電線路末端往往存在電壓過(guò)高的問(wèn)題，另外，降壓變壓器為了絕緣考慮，三繞組降壓變壓器繞組排列方式從外到內(nèi)依次為高壓繞組、中壓繞組、低壓繞組。這樣，相距最遠(yuǎn)的兩個(gè)繞組（高壓繞組和低壓繞組）之間的漏磁最大，短路阻抗也最大；中間繞組（中壓繞組）與高、低壓繞組相鄰，因此中壓與高壓、中壓與低壓之間的漏磁相對(duì)較小，短路阻抗也相對(duì)較小，最終導(dǎo)致中壓側(cè)短路阻抗接近于0，甚至出現(xiàn)負(fù)值，當(dāng)變壓器中壓側(cè)反帶負(fù)荷時(shí)會(huì)進(jìn)一步增大變壓器高壓側(cè)電壓。因此，非常有必要探討此種應(yīng)急方式下電壓是否滿足運(yùn)行條件，特別是當(dāng)10 kV 側(cè)母線發(fā)生三相短路時(shí)，主變壓器高壓側(cè)電壓是否滿足設(shè)備絕緣要求。

按照所提應(yīng)急運(yùn)行方式，通過(guò)110 kV 線路反帶變壓器中壓側(cè)供10 kV 系統(tǒng)負(fù)荷，為計(jì)算方便將220 kV A 站1 號(hào)主變壓器歸算到110 kV 側(cè)得到等值電路圖如圖3 所示。

通過(guò)查詢變壓器臺(tái)賬得到220 kV A 站1 號(hào)主變壓器參數(shù)如表1 所示。

圖3 220 kV A 站1 號(hào)主變壓器等值電路

表1 220 kV A 站1 號(hào)主變壓器參數(shù)

對(duì)于變壓器，短路電壓百分比可用如下公式計(jì)算［6］：

式中：Uk1、Uk2、Uk3分別為變壓器高壓側(cè)、中壓側(cè)、低壓側(cè)短路電壓百分比。進(jìn)而，歸算至110 kV 側(cè)變壓器各側(cè)等值阻抗計(jì)算公式為［6］：

式中：Z1、Z2、Z3分別為變壓器高壓側(cè)、中壓側(cè)、低壓側(cè)阻抗；UN為額定電壓；SN為額定視在功率。由計(jì)算結(jié)果可知，變壓器中壓側(cè)阻抗值為負(fù)數(shù)，當(dāng)變壓器中壓側(cè)施加額定電壓時(shí)，高壓側(cè)會(huì)出現(xiàn)電壓升高現(xiàn)象。

為驗(yàn)證應(yīng)急方式下高壓側(cè)電壓能否滿足運(yùn)行要求，假定此種運(yùn)行方式下220 kV A 站10 kV 母線發(fā)生三相短路故障，主變壓器低后備保護(hù)動(dòng)作延時(shí)不超過(guò)1 s。故障期間1 號(hào)主變壓器等值電路如圖4所示。

圖4 220 kV A 站1 號(hào)主變壓器10 kV 側(cè)發(fā)生三相短路時(shí)等值電路

故障期間，由圖4 所示等值電路可知：

式中：k12為1 號(hào)主變壓器高壓側(cè)與中壓側(cè)變比。

由此可知，當(dāng)應(yīng)急運(yùn)行方式下，10 kV 母線發(fā)生三相短路故障，在主變壓器低壓側(cè)后備保護(hù)動(dòng)作前，低壓側(cè)等值線電壓為0 kV，高壓側(cè)等值線電壓E=137.24 kV，再根據(jù)變比折算，220 kV 實(shí)際開路電壓為271.36 kV。根據(jù)220 kV A 站1 號(hào)主變壓器銘牌顯示，高壓側(cè)能夠承受線電壓值為395 kV，時(shí)間不超過(guò)1 min 的工頻過(guò)電壓，因此，應(yīng)急運(yùn)行方式下，即使發(fā)生10 kV 母線三相短路，仍滿足設(shè)備正常運(yùn)行要求。

2.4 驗(yàn)證結(jié)論

由以上3 方面驗(yàn)證可知，利用110 kV 線路反帶變壓器恢復(fù)10 kV 系統(tǒng)負(fù)荷的應(yīng)急方案切實(shí)可行?，F(xiàn)將處理流程總結(jié)如下：1）母線電壓調(diào)整?？紤]到220 kV A 站1 號(hào)主變壓器高壓抽頭在高壓側(cè)，中壓側(cè)、低壓側(cè)繞組變比不可調(diào)，為保證10 kV 側(cè)設(shè)備不因電壓過(guò)高而影響運(yùn)行，需首先調(diào)整220 kV B 站110 kV 的母線電壓，使其運(yùn)行在合理范圍；2）無(wú)關(guān)線路拉開。遙控拉開220 kV A 站除AC 線以外的其他110 kV 線路開關(guān)；3）反帶線路送電。遙控合上110 kV C 站110 kV AC 線開關(guān)，用以恢復(fù)220 kV A 站損失負(fù)荷；4）保護(hù)裝置配合。為了此種應(yīng)急方式下保護(hù)電網(wǎng)設(shè)備以及保證繼電保護(hù)裝置不誤動(dòng)，還需讓運(yùn)維人員及時(shí)將220 kV B 站110 kV BC 線保護(hù)調(diào)整為臨時(shí)定值，并將220 kV A 站AC 線相關(guān)保護(hù)退出。5）加強(qiáng)設(shè)備巡視。為保證應(yīng)急運(yùn)行方式下設(shè)備安全及電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，相關(guān)部門還需對(duì)220 kV DT 線帶電巡線，同時(shí)還要加強(qiáng)110 kV BC 線、110 kV AC 線的特巡和負(fù)荷監(jiān)視，以及對(duì)220 kV B 站、110 kV C站、220 kV A 站實(shí)施站內(nèi)特巡，及時(shí)消除運(yùn)行隱患和缺陷。

以上第1)～3) 步只需遠(yuǎn)方遙控操作即可恢復(fù)損失負(fù)荷，第4)～5)步需運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)配合，因此，此種應(yīng)急運(yùn)行方式大大縮短了負(fù)荷恢復(fù)時(shí)間，為快速實(shí)現(xiàn)停電損失負(fù)荷的快速恢復(fù)提供了一種切實(shí)可行的方案。

3 結(jié)語(yǔ)

提出利用110 kV 線路反帶變壓器恢復(fù)10 kV系統(tǒng)負(fù)荷的應(yīng)急方案，并通過(guò)繼電保護(hù)配合、負(fù)載驗(yàn)證和電壓驗(yàn)證3 個(gè)方面驗(yàn)證了所提方案能夠在滿足電網(wǎng)設(shè)備安全運(yùn)行要求的基礎(chǔ)上，大大縮短負(fù)荷恢復(fù)時(shí)間。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，利用此種電網(wǎng)應(yīng)急運(yùn)行方式可在10 min 以內(nèi)恢復(fù)停電損失負(fù)荷，縮短停電時(shí)間1 h 以上，兼顧了負(fù)荷恢復(fù)速度和電網(wǎng)安全運(yùn)行兩方面的要求。此種應(yīng)急運(yùn)行方式普遍適用于處理變電站一路電源停電檢修、運(yùn)行線路跳閘且重合不成功或兩路電源同時(shí)跳閘、重合不成功導(dǎo)致的變電站全停故障，為變電站全停故障下負(fù)荷的快速恢復(fù)提供了一種切實(shí)可行的方案。

在處理類似故障時(shí)只需：1）調(diào)整送電側(cè)變電站中壓側(cè)母線電壓；2）拉開受電側(cè)變電站中壓側(cè)母線無(wú)關(guān)線路；3）合上送電側(cè)變電站反帶線路開關(guān)即可恢復(fù)停電損失負(fù)荷。然后，通知運(yùn)維人員；4）調(diào)整相關(guān)線路保護(hù)；5）加強(qiáng)相關(guān)設(shè)備巡視以保證應(yīng)急運(yùn)行方式下電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。