云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉溪供電局 劉璐 顏紅得

1 引言

隨著電力交易市場競爭機(jī)制的實(shí)行，供電公司必須提供更優(yōu)質(zhì)、更穩(wěn)定的電力供應(yīng)，而其中一個(gè)重要的衡量指標(biāo)就是電壓和無功。電壓的穩(wěn)定性影響著整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行、生活生產(chǎn)的穩(wěn)定安全[1]。在電力系統(tǒng)中，電壓的波動與無功功率的變化密切相關(guān)，無功可以幫助變壓器、電動機(jī)等設(shè)備建立磁場，維持電網(wǎng)電壓水平，同時(shí)傳輸有功功率。無功功率的大小直接影響到系統(tǒng)電壓水平，為保證系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定和正常水平必須具有充足的無功功率。無功功率從電源端經(jīng)過線路和變壓器向負(fù)荷輸送，輸送過程中在線路和變壓器上產(chǎn)生電壓損耗，無功功率潮流的變化也會引起電壓損耗的改變。隨著各種清潔能源和可再生能源的研究和應(yīng)用，大量的以小型發(fā)電機(jī)組為系統(tǒng)的小電源積極并網(wǎng)，小電源在提高對各類用電用戶供電可靠性的同時(shí)也存在著對電網(wǎng)潮流和節(jié)點(diǎn)電壓的影響。在接有小電源電網(wǎng)中無功不平衡容易因高壓解列導(dǎo)致小電源失壓，造成大量負(fù)荷損失。因此需要調(diào)度根據(jù)系統(tǒng)特征調(diào)整好系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，以改善節(jié)點(diǎn)電壓、提高供電可靠性，對于給用戶提供更優(yōu)質(zhì)、可靠的電力供應(yīng)有十分重要的意義。

2 事故概況及現(xiàn)場裝置動作情況分析

2.1 事故概況

QL變電站故障發(fā)生前運(yùn)行方式如圖1所示。

圖1 QL變電站故障發(fā)生前運(yùn)行方式

6月29日，110kV QL 變電站連接上級電站的110kV FQ 線發(fā)生B 相瞬時(shí)接地故障，其中B 相故障電流達(dá)到11.188A，達(dá)到分相差動動作定值3A，分相差動保護(hù)動作出口，同時(shí)220kV上級變電站側(cè)110kV 該故障線斷路器差動出口跳閘。110kV QL變電站通過110kV FQ 線與上級變電站相連，輸送有功和無功功率，110kV母線上有一個(gè)110kV小電源并網(wǎng)，該站中壓側(cè)35kV母線上接有兩個(gè)35kV小電源并網(wǎng)。

故障跳開FQ線斷路器后，經(jīng)由110kVFQ線路輸出的無功功率無法供向下一級，導(dǎo)致系統(tǒng)中無功功率供大于求，110kVⅠ段母線、35kVⅠ段母線電壓升高，35kVⅠ母二次線電壓達(dá)到高壓解列定值114V，經(jīng)整定時(shí)間0.5s 后，35kV 兩條小電源線高壓解列動作跳閘，110kV母線失壓。隨后220kV變電站側(cè)110kV FQ 線重合閘成功，該110kV變電站側(cè)110kV FQ 線進(jìn)線側(cè)帶電，重合閘動作成功，110kV FQ 線供110kV QL 變110kVⅠ母段負(fù)荷，供電恢復(fù)正常。QL變電站故障經(jīng)保護(hù)動作后運(yùn)行方式如圖2所示，其中35kV小電源解列，造成重要負(fù)荷損失。

圖2 QL變電站故障經(jīng)保護(hù)動作后運(yùn)行方式

2.2 現(xiàn)場保護(hù)動作情況分析

110kV故障線路保護(hù)裝置錄波圖如圖3所示。

圖3 110kV故障線路保護(hù)裝置錄波圖

圖3中動作時(shí)間在881ms 時(shí)，110kV 故障線路B相二次電壓開始由59V逐漸下降，時(shí)間至900ms，降低至12.259V，保護(hù)啟動，此時(shí)Ib=5.156A，3I0=11.118A，分相差動定值為3A，零序差動定值為1.88A，0.15s。保護(hù)啟動至912ms，Ib=11.188A，分相差動保護(hù)動作出口。時(shí)間至918ms，對側(cè)差動出口，110kV FQ線對側(cè)斷路器跳閘。

FQ 線跳閘后，110kV Ⅰ母負(fù)荷由另一條110kV 線路與35kV 小電源線供給，由于系統(tǒng)有功功率不足，無功功率過高，導(dǎo)致110kVⅠ母電壓、35kVⅠ母電壓升高，線電壓達(dá)到高壓解列電壓定值114V，經(jīng)過整定時(shí)間0.5s 后，35kV 小電源線高壓解列動作跳閘。35kV小電源線保護(hù)裝置錄波如圖4所示。

圖4 35kV小電源線保護(hù)裝置錄波圖

由于110kV小電源線出力較小，無法供110kVⅠ母部分負(fù)荷，110kV、35kVⅠ母電壓下降并達(dá)到無壓定值。110kVFQ 線保護(hù)裝置CSC-163T 裝置在重合閘檢線有壓母無壓的條件不滿足時(shí)會自動轉(zhuǎn)檢同期，但此時(shí)的壓差條件不滿足。200ms 后對側(cè)110kVFQ 線重合閘動作，110kVQL 變側(cè)FQ 線進(jìn)線電壓恢復(fù)，同時(shí)母線無壓條件滿足，重合閘開始計(jì)時(shí)1.2s（該裝置重合閘開放時(shí)間固定為12s），達(dá)到時(shí)間后重合閘動作合上110kVFQ 線斷路器，110kVⅠ母恢復(fù)供電，全站供電恢復(fù)正常。

110kV故障錄波裝置錄波圖如圖5所示。

圖5 110kV故障錄波裝置錄波圖

根據(jù)110kV撫青矣線CSC-163T保護(hù)裝置的錄波、110kV 故障錄波裝置ZH-5 的錄波及35kV 小電源線PSL641保護(hù)裝置的錄波顯示，整個(gè)過程中一系列的保護(hù)動作正確，由于整個(gè)過程中涉及2 條35kV 電壓等級的小電源及1 條110kV 電壓等級的小電源。根據(jù)故障后調(diào)度調(diào)整運(yùn)行方式，目前110kV FQ 線有功功率為-0.4MW，而無功功率為1.07Mvar，110kVⅠ母段有功功率不足，而無功功率偏高，導(dǎo)致保護(hù)動作后電壓升高，兩個(gè)35kV 電壓等級的小電源高壓解列，隨后110kVⅠ母失壓。QL 變電站較其他110kV 變電站特殊的地方是110kV和35kV側(cè)均帶有小電源線，一旦發(fā)生故障，將很容易造成小電源解列。經(jīng)過對各線路保護(hù)裝置錄波及報(bào)文的分析，本次故障保護(hù)裝置各部分雖動作無誤，最終恢復(fù)供電，但動作過程中造成小電源解列，損失較大。造成小電源解列的原因主要是110kVⅠ母無功功率過高，導(dǎo)致保護(hù)動作后電壓升高而達(dá)到高壓解列動作值。

3 無功功率平衡的重要性及優(yōu)化措施

3.1 無功功率平衡

“無功功率”是電網(wǎng)中的儲能元件（電感、電容）用來進(jìn)行電磁能量轉(zhuǎn)換的一部分電能，是在電感、電容和電源之間直接來回傳遞而不被消耗的一部分電能[2]。實(shí)際電力網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載都是感性負(fù)載，所以無功功率是感性無功，而電力系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)相當(dāng)于一個(gè)容性負(fù)載。當(dāng)感性負(fù)載的磁場能量變?yōu)殡娔軙r(shí)，發(fā)電機(jī)就將這部分電能轉(zhuǎn)換成磁場能量。相反，當(dāng)發(fā)電機(jī)的磁場能量轉(zhuǎn)化為電能時(shí)，感性負(fù)載就將這部分電能轉(zhuǎn)換成磁場能量。這就是無功功率平衡的原理。如果無功功率失去平衡，就會影響發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電勢，從而使系統(tǒng)電壓偏離額定值。電力系統(tǒng)的無功功率平衡就是根據(jù)電源發(fā)展規(guī)劃和電力網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃進(jìn)行無功功率平衡計(jì)算，目標(biāo)是使電力系統(tǒng)中無功電源發(fā)出的無功功率大于或等于負(fù)荷所需的無功功率及網(wǎng)絡(luò)中的無功損耗。

無功功率流過電機(jī)建立磁場，從而建立起整個(gè)線路上電壓的聯(lián)系，無功功率的不足或過多不僅影響建立的電壓的質(zhì)量，還會影響線路的壓降，因此電網(wǎng)中的無功功率大小與電網(wǎng)電壓大小密切相關(guān)。而電網(wǎng)又處于一個(gè)動態(tài)平衡當(dāng)中，需要讓電網(wǎng)長期穩(wěn)定運(yùn)行需要保證任何時(shí)候發(fā)電廠、補(bǔ)償裝置提供的有功和無功與用電設(shè)備消耗的量相等。如果電網(wǎng)的無功功率不足或者過剩都將導(dǎo)致電網(wǎng)電壓發(fā)生變化，電壓偏移超過極限值將會對電力系統(tǒng)本身及其用電設(shè)備帶來不良影響，從而造成保護(hù)不正確動作等事故發(fā)生或使電力系統(tǒng)中電動機(jī)、照明設(shè)備等效率下降，經(jīng)濟(jì)性變差。

3.2 無功功率平衡優(yōu)化措施

無功功率的平衡問題至關(guān)重要，電力系統(tǒng)中為了降低電力網(wǎng)損耗，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，采用的無功功率基本平衡原則是按地區(qū)、按電壓等級對無功電源和無功負(fù)荷進(jìn)行平衡，這樣即可以避免長距離輸送無功功率產(chǎn)生大量損耗[3]。

在考慮系統(tǒng)的運(yùn)行方式和電網(wǎng)中電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式時(shí)，為保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，滿足無功負(fù)荷的增長需求，應(yīng)在系統(tǒng)中配置無功備用容量。讓發(fā)電機(jī)接近于額定功率因數(shù)運(yùn)行，利用這種情況下計(jì)算得出的發(fā)出的無功功率量間接得到發(fā)電機(jī)應(yīng)保持的無功備用容量。

在系統(tǒng)中無功電源不足的情況下，為了保持較高的系統(tǒng)運(yùn)行電壓水平，應(yīng)采取其他的補(bǔ)償措施維持系統(tǒng)的無功功率平衡。在變電所或直接在電能用戶變電所裝設(shè)無功功率電源，可以就地改變無功功率的大小，這種方法產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)損耗很小[4]。通常這種就地補(bǔ)償方法裝設(shè)的是靜止無功補(bǔ)償裝置，這種靜止補(bǔ)償裝置可以分為多種，最常用的是晶閘管控制電抗器同固定的電容器組的組合結(jié)構(gòu)，它可以平滑連續(xù)地調(diào)節(jié)無功補(bǔ)償量。

與靜止無功補(bǔ)償相對應(yīng)的是動態(tài)無功補(bǔ)償，如同步調(diào)相機(jī)，其是一類旋轉(zhuǎn)電機(jī)，主要用于調(diào)相、調(diào)壓，為換流站提供短路容量，可以提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。

4 結(jié)語

本次變電站線路故障導(dǎo)致的小電源非預(yù)期高壓解列動作暴露出維持電網(wǎng)無功功率平衡的重要問題，在本次故障中，當(dāng)110kV故障線路跳閘后，經(jīng)由該線路輸出的無功功率無法供給下一級，導(dǎo)致系統(tǒng)中無功功率供大于求.系統(tǒng)電壓上升建立一個(gè)更高的磁場吸收過剩的無功功率，從而求得平衡。通過AVC策略調(diào)整，可以在35kV小電源高壓解列前（0.5s以內(nèi)），檢測到母線電壓超出設(shè)定值后，迅速切除10kVⅠ母上所有的電容器組，調(diào)節(jié)過剩的無功功率，避免后續(xù)35kV小電源保護(hù)的動作。

電力系統(tǒng)愈加龐大與復(fù)雜，要考慮的問題也越來越多，而無功功率平衡仍是其中不可忽視的一個(gè)重要問題，其將直接影響到電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行與供電的電能質(zhì)量。因此，變電站及電網(wǎng)各個(gè)部分的維護(hù)檢修人員，應(yīng)當(dāng)認(rèn)真考慮無功功率平衡與電壓穩(wěn)定問題，不斷學(xué)習(xí)與改進(jìn)無功平衡優(yōu)化措施，結(jié)合電網(wǎng)實(shí)際情況，制定符合要求的功率穩(wěn)定措施，防止因電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動而造成的事故事件的發(fā)生，保護(hù)電網(wǎng)設(shè)備的安全，維持電網(wǎng)高效穩(wěn)定運(yùn)行。