范佳琪，任 正

（1.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，呼和浩特 010010；2.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010010）

0 引言

隨著特高壓交/直流輸電通道的建設(shè)，大型能源基地送端電網(wǎng)呈現(xiàn)交直流、多種電源規(guī)?；嚯x集中接入、輸電通道多電壓等級線路密集架設(shè)等特點(diǎn)，電網(wǎng)的X/R（電抗/電阻）比值不斷增大，短路電流直流分量衰減時間常數(shù)隨之增大，短路故障下，直流分量對電網(wǎng)的影響日益突出[1-3]。

目前，國內(nèi)外對短路電流直流分量及其衰減的研究主要集中在短路電流直流分量對斷路器開斷能力的影響方面，文獻(xiàn)[4-6]開展了短路電流直流分量對斷路器開斷能力影響的定性和定量分析，但僅限于直流分量對斷路器本身影響的研究，未針對直流分量對實(shí)際電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行具體研究。

本文以某特高壓配套750 kV線路為例，對系統(tǒng)短路電流直流分量產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，通過仿真計算研究特高壓系統(tǒng)中重合閘過程短路電流直流分量及衰減時間常數(shù)大小，并校核可能出現(xiàn)的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，最終針對重合閘方式提出應(yīng)對措施及建議。

1 直流分量特性分析

電力系統(tǒng)中，短路電流分為交流分量和直流分量。其中，直流分量產(chǎn)生的物理原因是電感中電流在突然短路瞬時的前后不能突變。直流分量從短路發(fā)生的瞬間不斷衰減至零。無限大功率電源供電的單相短路示意圖如圖1所示。

圖1 無限大功率電源供電的單相短路示意圖

對于圖1，假定在t=0 s時，U相發(fā)生單相短路，其電流的瞬時值應(yīng)滿足式（1）：

其特解為短路電流的交流分量：

短路電流的直流分量為：

式中：C 為積分常數(shù)，其值即為直流分量的起始值；TU為衰減時間常數(shù)。

在含有電感的電路中，根據(jù)楞次定律，通過電感的電流是不能突變的，即短路前一瞬間的電流值（用下標(biāo)0+表明）必須與短路發(fā)生后一瞬間的電流值相等，即：

由此可見，短路電流直流分量的起始值與電源電壓的初始相角α、短路前回路中的電流值相關(guān)；衰減時間與短路發(fā)生時運(yùn)行方式及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有關(guān)。

2 直流分量對斷路器開斷能力的影響分析

短路故障發(fā)生后，斷路器需開斷的短路電流由交流分量和直流分量疊加而成，其可能的最大有效值IM為：

式中：IAC、IDC為開斷時刻短路電流的交流分量、直流分量；I″為次暫態(tài)電流；K 為開斷時刻直流分量相對于直流分量初始值的衰減系數(shù)，其值為：

由式（6）可知，短路電流直流分量的衰減速度或時間常數(shù)關(guān)系到斷路器需開斷電流的大小，直流分量衰減越慢，斷路器需開斷的短路電流越大；同時，斷路器需開斷的電流與短路被開斷時刻有關(guān)，短路被開斷得越快，斷路器需開斷的電流越大。

3 重合閘方式對特高壓系統(tǒng)短路電流的影響分析

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，由于重合閘實(shí)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)斷路器先重合，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，此時流經(jīng)短路容量較小側(cè)斷路器電流將大幅減少，因系統(tǒng)電感元件存在，電流不能發(fā)生突變，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)提供的短路電流較小，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(diǎn)、無法滅弧的情況。當(dāng)電網(wǎng)直流分量衰減時間常數(shù)（系統(tǒng)X/R比值）較大時，短路電流有可能較長時間不過零點(diǎn)，導(dǎo)致斷路器不能有效開斷故障電流，最終靠失靈保護(hù)動作延時切除故障[7-10]。

兩回及以上并聯(lián)線路，故障時弱系統(tǒng)側(cè)斷路器先合，如圖2 所示。短路電流Id1通過電廠側(cè)斷路器注入短路點(diǎn)，由系統(tǒng)與發(fā)電廠一起通過電廠送出線路向故障點(diǎn)提供短路電流，流經(jīng)電廠側(cè)斷路器短路電流較大。

圖2 弱系統(tǒng)側(cè)先重合

強(qiáng)系統(tǒng)側(cè)后重合如圖3所示。系統(tǒng)提供的短路電流Id2主要通過系統(tǒng)側(cè)斷路器流入故障點(diǎn)，弱系統(tǒng)側(cè)提供的短路電流較小，流過弱系統(tǒng)側(cè)斷路器的短路電流工頻分量突降，由于電網(wǎng)電感元件的存在，導(dǎo)致短路電流無法突變，為了維持短路電流在強(qiáng)系統(tǒng)側(cè)合閘瞬間初值不變，會在弱系統(tǒng)側(cè)產(chǎn)生較大的直流分量，當(dāng)直流分量大于交流分量時，直流分量疊加至交流分量上，導(dǎo)致短路電流在短時間內(nèi)不過零（如圖4所示），斷路器將無法開斷短路電流[11]。

通過對故障機(jī)理分析，認(rèn)為導(dǎo)致斷路器重合于故障后，分閘失敗原因有以下方面：

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

圖3 強(qiáng)系統(tǒng)側(cè)后重合

圖4 短路電流疊加直流分量后衰減波形圖

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

（3）兩側(cè)斷路器重合動作不一致，弱系統(tǒng)側(cè)先重合、強(qiáng)系統(tǒng)側(cè)后重合；

（4）后重合于短路電流峰值時，直流分量最嚴(yán)重。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，若Id1/Id2比值較大，認(rèn)為存在斷路器無法滅弧導(dǎo)致拒動風(fēng)險。具體如公式（7）：

式中：kcr為短路電流特征因子。對電廠送出線路及主網(wǎng)架線路進(jìn)行計算時，短路電流特征因子近似為2.1；計算末端變電站饋線時，短路電流特征因子近似為2.5[12-15]。

4 算例

圖5 為±800 kV 伊克昭特高壓換流站接入系統(tǒng)示意圖。伊克昭換流站通過750 kV 沙湖站接入西北電網(wǎng)主網(wǎng)，規(guī)劃建設(shè)配套電源5 座（共10 臺機(jī)組），裝機(jī)容量10 GW；同時，通過±800 kV特高壓直流線路將電力輸送到沂南換流站。由于750 kV 沙湖站短路容量較大，屬于強(qiáng)系統(tǒng)，而伊克昭換流站短路容量較小，屬于弱系統(tǒng)，因此750 kV 昭湖三回線在發(fā)生故障重合閘過程中可能存在短路電流直流分量過大的問題。考慮昭沂直流送端配套電源不同開機(jī)方式和不同直流輸送功率，計算750 kV昭湖三回線單相短路電流，并模擬單相重合閘重合于永久故障，校驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖5 伊克昭換流站接入系統(tǒng)示意圖

4.1 昭沂直流配套火電機(jī)組8臺，直流外送10 GW

（1）伊克昭換流站側(cè)先重合，沙湖側(cè)后重合。計算結(jié)果Id1為13.70 kA，Id2為4.14 kA，k=Id1/Id2=3.31，大于2.1。因此，750 kV昭湖三回線短路故障存在短路電流不過零點(diǎn)造成斷路器拒動的風(fēng)險。此時，短路電流直流分量的衰減時間常數(shù)為103.14 ms。

（2）在正常方式下，單相重合于永久故障，校核系統(tǒng)穩(wěn)定性。線路一側(cè)直接重合于永久故障，線路另一側(cè)重合閘采用檢有壓方式，檢測到三相中某相無電壓后，將不再重合閘。為了校驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性，將線路兩側(cè)斷路器先后重合閘于永久故障，并加速跳開斷路器，兩側(cè)重合閘間隔時間設(shè)為0.3 s。為減少短路故障對系統(tǒng)沖擊，設(shè)置弱側(cè)先重合，即伊克昭換流站側(cè)先重合。

計算結(jié)果表明，線路兩側(cè)單相重合閘于永久故障，昭沂直流送端機(jī)組功角與主網(wǎng)電壓均無穩(wěn)定問題，如圖6—7所示。

圖6 昭沂直流送端機(jī)組功角曲線（方式1）

圖7 主網(wǎng)750 kV電壓曲線（方式1）

（3）寧夏電網(wǎng)750 kV 二分之三斷路器接線方式下，線路單相重合閘時間一般為邊斷路器0.6 s、中斷路器0.9 s。某側(cè)邊斷路器檢修方式下，兩側(cè)重合閘時間配合及系統(tǒng)穩(wěn)定性有如下兩種方式。

方式1：先重合側(cè)邊斷路器檢修，則由該側(cè)中斷路器執(zhí)行重合閘功能，若后重合側(cè)重合閘時間與先重合側(cè)中斷路器相同或相近，則存在兩側(cè)同時重合閘于永久故障，弱側(cè)斷路器因直流分量無法開斷的風(fēng)險，因此兩側(cè)邊、中斷路器重合閘時間需適當(dāng)錯開。

方式2：后重合側(cè)邊斷路器檢修，則后重合閘側(cè)由中斷路器執(zhí)行重合閘，線路兩側(cè)重合閘間隔時間為線路兩側(cè)邊斷路器重合閘時間延時與后重合閘邊、中斷路器延時之和。為了校驗(yàn)沙湖側(cè)邊斷路器檢修期間系統(tǒng)穩(wěn)定性，將伊克昭換流站側(cè)斷路器直接重合閘于永久故障，0.6 s后沙湖側(cè)中斷路器重合閘，然后兩側(cè)斷路器加速跳開。

計算結(jié)果表明，沙湖側(cè)邊斷路器檢修，沙湖中斷路器滯后伊克昭換流站側(cè)0.6 s重合于永久故障，然后兩側(cè)斷路器加速跳開，此時系統(tǒng)穩(wěn)定，如圖8—9所示。

4.2 昭沂直流配套火電機(jī)組0臺，直流外送4 GW

圖8 昭沂直流送端機(jī)組功角曲線（方式2）

圖9 主網(wǎng)750 kV電壓曲線（方式2）

（1）伊克昭換流站側(cè)先重合，沙湖側(cè)后重合。計算結(jié)果為：Id1=12.52 kA，Id2=1.94 kA，k=Id1/Id2=6.45，大于2.1。因此，750 kV昭湖三回線短路故障存在短路電流不過零點(diǎn)造成斷路器拒動的風(fēng)險。此時，短路電流直流分量衰減時間常數(shù)為87.48 ms。

（2）在正常方式下，單相重合于永久故障，校核系統(tǒng)穩(wěn)定性。計算結(jié)果表明，線路兩側(cè)單相重合閘于永久故障，昭沂直流送端機(jī)組功角與主網(wǎng)電壓均無穩(wěn)定問題，如圖10—11所示。

圖10 昭沂直流送端機(jī)組功角曲線（方式3）

圖11 主網(wǎng)750 kV電壓曲線（方式3）

（3）沙湖側(cè)邊斷路器檢修方式下，單相重合于永久故障，校核系統(tǒng)穩(wěn)定性。計算結(jié)果表明，沙湖側(cè)邊斷路器檢修，沙湖中斷路器滯后伊克昭換流站側(cè)0.6 s 重合于永久故障，然后兩側(cè)斷路器加速跳開，此時系統(tǒng)穩(wěn)定，如圖12—13所示。

5 結(jié)論

圖12 昭沂直流送端機(jī)組功角曲線（方式4）

圖13 主網(wǎng)750 kV電壓曲線（方式4）

（1）在不同開機(jī)方式及直流功率下，短路電流直流分量衰減時間常數(shù)均在100 ms左右，考慮直流分量因素，750 kV 斷路器遮斷容量約為0.95×63=59.8 kA[15]；經(jīng)計算，昭沂直流配套電源工程投運(yùn)后，沙湖和伊克昭換流站750 kV 母線短路電流均約為36 kA，因此斷路器遮斷容量滿足要求。

（2）因750 kV 昭湖三回線仍存在單相瞬時故障的可能性，綜合考慮昭湖三回線潛供電流、恢復(fù)電壓和電網(wǎng)穩(wěn)定問題，750 kV昭湖三回線建議采用線路單相重合閘，整定0.6 s及以上（邊斷路器0.6 s，中斷路器0.9 s）。

（3）正常運(yùn)行時，若750 kV昭湖三回線伊克昭換流站先重合，短路電流工頻分量之比k＞2.1，存在故障后短路電流不過零點(diǎn)造成斷路器拒動的風(fēng)險，需要在線路一側(cè)采用檢有壓重合閘方式。根據(jù)上述計算結(jié)論，伊克昭換流站側(cè)、沙湖側(cè)斷路器先后重合于單相永久性故障，兩側(cè)斷路器再加速跳開，交流電網(wǎng)不存在穩(wěn)定性問題。因此，正常運(yùn)行方式時，750 kV昭湖三回線單相重合閘可以選擇伊克昭換流站側(cè)直接重合閘，沙湖側(cè)檢有壓重合閘方式。

（4）為避免弱系統(tǒng)側(cè)先重合，強(qiáng)系統(tǒng)側(cè)后重合導(dǎo)致故障后短路電流不過零點(diǎn)，造成斷路器拒動的風(fēng)險，正常運(yùn)行方式時，750 kV 昭湖三回線單相重合閘可以選擇沙湖側(cè)直接重合閘，伊克昭換流站側(cè)檢有壓重合閘方式。

（5）西北電網(wǎng)屬于典型的串抗投入較多的電網(wǎng)，因此短路電流直流分量對斷路器滅弧性能的影響較其他地區(qū)電網(wǎng)更加明顯，但是否需要修改重合閘方式需進(jìn)行專題研究。國調(diào)中心曾發(fā)文《關(guān)于印發(fā)故障直流分量較大導(dǎo)致斷路器無法滅弧解決方案的通知》[16]，要求對可能存在該問題的工程開展相應(yīng)專題研究。