劉明群,和 鵬
(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,云南 昆明 650217)
隨著電力系統(tǒng)的跨區(qū)域互聯(lián)和電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,各級(jí)系統(tǒng)之間的聯(lián)系越來(lái)越緊密[1]。但是,邊遠(yuǎn)地區(qū)的局部電網(wǎng)由于經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等各個(gè)方面的影響,與主網(wǎng)連續(xù)較為薄弱,通過(guò)單回線路與系統(tǒng)相連的地區(qū)電網(wǎng)并不少見(jiàn)。極端天氣或人為操作失誤均可能導(dǎo)致地區(qū)電網(wǎng)的單回聯(lián)絡(luò)線故障,造成地區(qū)孤網(wǎng)運(yùn)行,甚至導(dǎo)致地區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)崩潰[2,3]。通過(guò)改進(jìn)斷路器動(dòng)作和繼電保護(hù)策略,可大大提高地區(qū)電網(wǎng)供電的穩(wěn)定性和可靠性,減少停電的經(jīng)濟(jì)損失。
某地區(qū)電網(wǎng)通過(guò)單回110 kV新(城)-白(漢場(chǎng))線路與系統(tǒng)連接,地理接線示意如圖1所示,豐水季節(jié)大量小水電通過(guò)新白線上網(wǎng)。2020年7月8日,新白線路因人為原因造成單相永久故障,發(fā)生單相接地故障后,線路跳開后地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行,高美變電站的備自投裝置因不滿足同期(頻差過(guò)大)而不能合斷路器,地區(qū)電網(wǎng)因頻率過(guò)高使發(fā)電廠機(jī)組的高周切機(jī)相繼動(dòng)作,最終造成地區(qū)電網(wǎng)崩潰,引起大面積停電。
圖1 某地區(qū)電網(wǎng)地理接線示意
仿真計(jì)算和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,當(dāng)?shù)貐^(qū)電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線的功率超過(guò)某一定值時(shí),聯(lián)絡(luò)線發(fā)生瞬時(shí)接地故障,即使聯(lián)絡(luò)線的繼電保護(hù)配置有重合閘功能,地區(qū)電網(wǎng)也會(huì)因功率不平衡引起頻率偏差,造成重合閘不滿足同期條件不會(huì)重合。圖2是聯(lián)絡(luò)線發(fā)生瞬時(shí)單相接地故障引起的頻率波動(dòng)情況,因不滿足同期條件強(qiáng)行重合而引起了系統(tǒng)振蕩。針對(duì)這種情況,部分地區(qū)電網(wǎng)配置了聯(lián)絡(luò)線跳閘聯(lián)切機(jī)組的穩(wěn)定策略。
圖2 強(qiáng)行重合引起系統(tǒng)頻率振蕩
聯(lián)絡(luò)線發(fā)生故障斷開后,地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行。故障發(fā)生時(shí)刻,聯(lián)絡(luò)線的潮流大小決定孤網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性,當(dāng)潮流較小時(shí),孤網(wǎng)可以穩(wěn)定運(yùn)行,潮流較大時(shí),無(wú)論上網(wǎng)還是下網(wǎng),都會(huì)引起地區(qū)電網(wǎng)頻率偏離正常值,偏差過(guò)大會(huì)導(dǎo)致高周切機(jī)裝置或低頻減載裝置動(dòng)作,使得發(fā)電功率與負(fù)荷功率平衡。潮流大于某一數(shù)值時(shí),如果電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置不能正確動(dòng)作,則會(huì)引起地區(qū)電網(wǎng)崩潰,造成嚴(yán)重的停電事故。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,地區(qū)電網(wǎng)一般配置下列安全自動(dòng)裝置。
一是高周切機(jī)裝置。孤網(wǎng)形成后,如果多臺(tái)機(jī)組并列運(yùn)行,則電廠功率將大于負(fù)荷功率,多余功率導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子加速,系統(tǒng)頻率升高,孤網(wǎng)失去穩(wěn)定。高周切機(jī)裝置正確動(dòng)作,孤網(wǎng)形成初始,在頻率上升到門檻值時(shí)切掉適量機(jī)組,減少功率不平衡程度,保持頻率穩(wěn)定。
二是低周減載裝置。孤網(wǎng)形成前,地區(qū)電網(wǎng)機(jī)組功率小于負(fù)荷功率,聯(lián)絡(luò)線大量功率下網(wǎng),功率嚴(yán)重不平衡的情況下,孤網(wǎng)形成后導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子減速,系統(tǒng)頻率降低,孤網(wǎng)失去穩(wěn)定。設(shè)置低頻減載裝置,當(dāng)孤網(wǎng)形成后,頻率下降到門檻值時(shí)切掉適量負(fù)荷,減少功率不平衡量,以提高孤網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。
三是連鎖切機(jī)裝置。為解決孤網(wǎng)運(yùn)行的高頻問(wèn)題,當(dāng)聯(lián)絡(luò)線的功率相對(duì)較大時(shí),可優(yōu)先采取連鎖切機(jī)裝置,即當(dāng)聯(lián)絡(luò)線傳輸功率大于設(shè)定值時(shí),一旦發(fā)生跳閘,系統(tǒng)直接下達(dá)切除部分機(jī)組的指令,此時(shí)不再判斷系統(tǒng)的頻率大小,盡快降低地區(qū)電網(wǎng)的機(jī)組出力與負(fù)荷不平衡程度。地區(qū)電網(wǎng)需要采集相關(guān)廠站運(yùn)行的實(shí)時(shí)信息,并進(jìn)行聯(lián)切策略的編制。
高壓斷路器是電力系統(tǒng)中的重要元件之一,在電力系統(tǒng)運(yùn)行方式調(diào)整及對(duì)系統(tǒng)中故障隔離起重要作用[4]。我國(guó)電網(wǎng)中110 kV及以下系統(tǒng)均采用三相機(jī)械聯(lián)動(dòng)斷路器,220 kV及以上系統(tǒng)中線路單元高壓斷路器因考慮系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行可靠性以及線路故障中單相故障占比較高等因素,多采用分相操作斷路器[4]。借鑒主網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),首先將110 kV聯(lián)絡(luò)線斷路器由三相聯(lián)動(dòng)改為分相動(dòng)作。
目前,應(yīng)對(duì)聯(lián)絡(luò)線發(fā)生的故障(單相、兩相和三相),繼電保護(hù)普遍采用的措施如下。當(dāng)發(fā)生兩相或三相故障時(shí),保護(hù)動(dòng)作跳開三相斷路器,不再重合。如果判斷為單相故障,跳開三相斷路器,躲過(guò)規(guī)定的電弧去游離時(shí)間,重合三相斷路器,若故障仍然存在則跳開三相斷路器。為了提高地區(qū)電網(wǎng)應(yīng)對(duì)聯(lián)絡(luò)線故障能力,在單相故障發(fā)生時(shí)進(jìn)行單相故障隔離,其他兩相斷路器不斷開,保持地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)。改進(jìn)措施前繼電保護(hù)動(dòng)作如圖3所示,改進(jìn)措施后繼電保護(hù)動(dòng)作如圖4所示。
圖3 改進(jìn)前的地區(qū)電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線保護(hù)動(dòng)作
圖4 改進(jìn)后的地區(qū)電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線保護(hù)動(dòng)作
案例中的聯(lián)絡(luò)線功率為50 MW,對(duì)于單相瞬時(shí)故障,采用原有的保護(hù)邏輯,系統(tǒng)不能穩(wěn)定運(yùn)行,仿真曲線如圖2所示。改進(jìn)措施后,單相瞬時(shí)故障,跳單相,單相重合成功,地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)能保持同步,不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象,仿真過(guò)程如圖5所示。
圖5 聯(lián)絡(luò)線單相瞬時(shí)故障錄波圖
改進(jìn)措施前,對(duì)于單相永久故障,系統(tǒng)重合后會(huì)立即跳閘,仿真過(guò)程如圖6所示。
圖6 原控制措施聯(lián)絡(luò)線單相永久故障錄波圖
改進(jìn)措施后,發(fā)生單相永久性故障,保護(hù)裝置跳開單相斷路器,經(jīng)延時(shí)后單相斷路器重新合閘,因故障仍存在,再次跳開單相斷路器,地區(qū)電網(wǎng)與系統(tǒng)保持兩相聯(lián)絡(luò),處于非全相運(yùn)行狀態(tài),仿真過(guò)程如圖7所示。地區(qū)電網(wǎng)雖然受到擾動(dòng),但是不會(huì)失去穩(wěn)定,一方面?zhèn)渥酝堆b置可以快速投入備用電源,另一方面運(yùn)行人員可以快速處理,盡快達(dá)到功率平衡后斷開聯(lián)絡(luò)線,即使地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)也能保持穩(wěn)定運(yùn)行。
圖7 改進(jìn)措施聯(lián)絡(luò)線單相永久故障錄波圖
通過(guò)對(duì)地區(qū)電網(wǎng)弱聯(lián)絡(luò)線故障分析和仿真計(jì)算可以得到如下結(jié)論。一是單聯(lián)絡(luò)線功率大于某一定值,發(fā)生單相瞬時(shí)接地故障,重合閘功能因頻差過(guò)大不滿足同期條件而不能合閘,造成地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行;二是采用改進(jìn)措施,不論單相瞬時(shí)故障,還是單相永久故障,都能保證地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)同步穩(wěn)定運(yùn)行;三是采用改進(jìn)措施后,方便地區(qū)電網(wǎng)采取切機(jī)切負(fù)荷等控制措施,避免造成地區(qū)電網(wǎng)崩潰。