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）

0 引 言

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。

1 事故案例

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

2 電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置

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。

3 改進(jìn)措施

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

4 結(jié) 論

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。