劉明群,和 鵬
(云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院,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)模的不斷擴大,各級系統(tǒng)之間的聯(lián)系越來越緊密[1]。但是,邊遠地區(qū)的局部電網(wǎng)由于經(jīng)濟、環(huán)境等各個方面的影響,與主網(wǎng)連續(xù)較為薄弱,通過單回線路與系統(tǒng)相連的地區(qū)電網(wǎng)并不少見。極端天氣或人為操作失誤均可能導致地區(qū)電網(wǎng)的單回聯(lián)絡線故障,造成地區(qū)孤網(wǎng)運行,甚至導致地區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)崩潰[2,3]。通過改進斷路器動作和繼電保護策略,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)濟損失。
某地區(qū)電網(wǎng)通過單回110 kV新(城)-白(漢場)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)運行,高美變電站的備自投裝置因不滿足同期(頻差過大)而不能合斷路器,地區(qū)電網(wǎng)因頻率過高使發(fā)電廠機組的高周切機相繼動作,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
仿真計算和運行經(jīng)驗表明,當?shù)貐^(qū)電網(wǎng)聯(lián)絡線的功率超過某一定值時,聯(lián)絡線發(fā)生瞬時接地故障,即使聯(lián)絡線的繼電保護配置有重合閘功能,地區(qū)電網(wǎng)也會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重合。圖2是聯(lián)絡線發(fā)生瞬時單相接地故障引起的頻率波動情況,因不滿足同期條件強行重合而引起了系統(tǒng)振蕩。針對這種情況,部分地區(qū)電網(wǎng)配置了聯(lián)絡線跳閘聯(lián)切機組的穩(wěn)定策略。
圖2 強行重合引起系統(tǒng)頻率振蕩
聯(lián)絡線發(fā)生故障斷開后,地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)運行。故障發(fā)生時刻,聯(lián)絡線的潮流大小決定孤網(wǎng)運行的穩(wěn)定性,當潮流較小時,孤網(wǎng)可以穩(wěn)定運行,潮流較大時,無論上網(wǎng)還是下網(wǎng),都會引起地區(qū)電網(wǎng)頻率偏離正常值,偏差過大會導致高周切機裝置或低頻減載裝置動作,使得發(fā)電功率與負荷功率平衡。潮流大于某一數(shù)值時,如果電力系統(tǒng)自動裝置不能正確動作,則會引起地區(qū)電網(wǎng)崩潰,造成嚴重的停電事故。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行,地區(qū)電網(wǎng)一般配置下列安全自動裝置。
一是高周切機裝置。孤網(wǎng)形成后,如果多臺機組并列運行,則電廠功率將大于負荷功率,多余功率導致發(fā)電機組轉子加速,系統(tǒng)頻率升高,孤網(wǎng)失去穩(wěn)定。高周切機裝置正確動作,孤網(wǎng)形成初始,在頻率上升到門檻值時切掉適量機組,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)機組功率小于負荷功率,聯(lián)絡線大量功率下網(wǎng),功率嚴重不平衡的情況下,孤網(wǎng)形成后導致發(fā)電機組轉子減速,系統(tǒng)頻率降低,孤網(wǎng)失去穩(wěn)定。設置低頻減載裝置,當孤網(wǎng)形成后,頻率下降到門檻值時切掉適量負荷,減少功率不平衡量,以提高孤網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。
三是連鎖切機裝置。為解決孤網(wǎng)運行的高頻問題,當聯(lián)絡線的功率相對較大時,可優(yōu)先采取連鎖切機裝置,即當聯(lián)絡線傳輸功率大于設定值時,一旦發(fā)生跳閘,系統(tǒng)直接下達切除部分機組的指令,此時不再判斷系統(tǒng)的頻率大小,盡快降低地區(qū)電網(wǎng)的機組出力與負荷不平衡程度。地區(qū)電網(wǎng)需要采集相關廠站運行的實時信息,并進行聯(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)運行方式調整及對系統(tǒng)中故障隔離起重要作用[4]。我國電網(wǎng)中110 kV及以下系統(tǒng)均采用三相機械聯(lián)動斷路器,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)運行經(jīng)驗,首先將110 kV聯(lián)絡線斷路器由三相聯(lián)動改為分相動作。
目前,應對聯(lián)絡線發(fā)生的故障(單相、兩相和三相),繼電保護普遍采用的措施如下。當發(fā)生兩相或三相故障時,保護動作跳開三相斷路器,不再重合。如果判斷為單相故障,跳開三相斷路器,躲過規(guī)定的電弧去游離時間,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)應對聯(lián)絡線故障能力,在單相故障發(fā)生時進行單相故障隔離,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。改進措施前繼電保護動作如圖3所示,改進措施后繼電保護動作如圖4所示。
圖3 改進前的地區(qū)電網(wǎng)聯(lián)絡線保護動作
圖4 改進后的地區(qū)電網(wǎng)聯(lián)絡線保護動作
案例中的聯(lián)絡線功率為50 MW,對于單相瞬時故障,采用原有的保護邏輯,系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行,仿真曲線如圖2所示。改進措施后,單相瞬時故障,跳單相,單相重合成功,地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)能保持同步,不會發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象,仿真過程如圖5所示。
圖5 聯(lián)絡線單相瞬時故障錄波圖
改進措施前,對于單相永久故障,系統(tǒng)重合后會立即跳閘,仿真過程如圖6所示。
圖6 原控制措施聯(lián)絡線單相永久故障錄波圖
改進措施后,發(fā)生單相永久性故障,保護裝置跳開單相斷路器,經(jīng)延時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,處于非全相運行狀態(tài),仿真過程如圖7所示。地區(qū)電網(wǎng)雖然受到擾動,但是不會失去穩(wěn)定,一方面?zhèn)渥酝堆b置可以快速投入備用電源,另一方面運行人員可以快速處理,盡快達到功率平衡后斷開聯(lián)絡線,即使地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)也能保持穩(wěn)定運行。
圖7 改進措施聯(lián)絡線單相永久故障錄波圖
通過對地區(qū)電網(wǎng)弱聯(lián)絡線故障分析和仿真計算可以得到如下結論。一是單聯(lián)絡線功率大于某一定值,發(fā)生單相瞬時接地故障,重合閘功能因頻差過大不滿足同期條件而不能合閘,造成地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)運行;二是采用改進措施,不論單相瞬時故障,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)定運行;三是采用改進措施后,方便地區(qū)電網(wǎng)采取切機切負荷等控制措施,避免造成地區(qū)電網(wǎng)崩潰。