摘 要：現(xiàn)階段，社會的高速運轉(zhuǎn)使得各行各業(yè)對電能的穩(wěn)定供應(yīng)要求越來越高，停電引發(fā)的后果和社會輿論會造成極其嚴(yán)重的影響，因此時刻保持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行成為供電企業(yè)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一。鑒于此，從檢修專業(yè)的視角出發(fā)總結(jié)了運檢一體化的意義，定量剖析了斷路器故障運行對電力系統(tǒng)暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)、潮流斷面、導(dǎo)體元件溫升等方面的影響，并提出了相應(yīng)的改進措施。

關(guān)鍵詞：斷路器；故障運行；電力系統(tǒng)暫態(tài)；應(yīng)對措施

中圖分類號：TM561" " 文獻標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）18-0075-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.18.019

0" " 引言

隨著我國經(jīng)濟體量的快速增長，社會各領(lǐng)域的用電需求不斷提升，電力的可靠供應(yīng)已經(jīng)成為經(jīng)濟發(fā)展的頭等大事。供電企業(yè)必須切實落實保供電要求，持續(xù)保障電力系統(tǒng)這張大網(wǎng)持續(xù)、穩(wěn)定、高效運轉(zhuǎn)。但堅強電網(wǎng)可靠運行的關(guān)鍵不僅僅在于投產(chǎn)前的規(guī)劃設(shè)計、一次設(shè)備的投資、調(diào)控的經(jīng)濟運行，更為重要的在于針對當(dāng)前服役運行的設(shè)備按照“一切事故可以預(yù)防”的理念，加強運維，盡早提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷并及時處理。例如，變電站斷路器運行到一定的年限之后，或多或少都會出現(xiàn)問題，斷路器故障運行的頻繁發(fā)生直接影響的就是地區(qū)供電的可靠性。隨著運行檢修專業(yè)一體化的推進，本專業(yè)檢修人員僅僅局限于故障斷路器退出運行之后再分析問題往往難以滿足現(xiàn)階段的電力生產(chǎn)要求，從風(fēng)險辨識的角度，檢修人員應(yīng)隨時保持N-1的思維方式，分階段理解斷路器故障運行對整個電網(wǎng)的影響，尤其是在繼電保護專業(yè)方面，本級斷路器誤動或拒動導(dǎo)致越級跳閘時對電力系統(tǒng)暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)、潮流斷面、導(dǎo)體元件溫升等方面的影響，或者是故障運行的斷路器在退運之后對電力系統(tǒng)全局或單點動穩(wěn)定與熱穩(wěn)定的影響。現(xiàn)有文獻大多是從檢修專業(yè)的視角出發(fā)，總結(jié)斷路器故障類型與斷路器的檢修要點，鮮有文獻從原理剖析斷路器故障運行對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響，并提出對應(yīng)的解決措施。本文先系統(tǒng)性介紹擴展等面積法則，以便數(shù)據(jù)化衡量斷路器故障運行對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響，再結(jié)合筆者多年的檢修工作經(jīng)驗提出改進措施。

1" " 斷路器故障運行的影響

1.1" " 研究背景及其意義

中國南方電網(wǎng)建設(shè)的大功率電網(wǎng)是世界上為數(shù)不多的跨區(qū)域和遠距離傳輸大功率電網(wǎng)之一，其超高壓直流技術(shù)更是世界領(lǐng)先。交直流混合輸電系統(tǒng)的互聯(lián)在帶來巨大經(jīng)濟效益的同時，其失去同步穩(wěn)定的可能性也在增大。任何元件的故障都有可能引起事故范圍擴大，使得電力系統(tǒng)陷入癱瘓的狀態(tài)，比如2003年8月14日美加大停電事件、同年9月23日瑞典大面積停電事故。因此，為了有效避免此類事件的發(fā)生，尋求合適的數(shù)學(xué)方法與評估手段，研究斷路器故障運行后電力系統(tǒng)能否順利渡過擾動帶來的影響而達到新的平衡穩(wěn)定有著重要意義。根據(jù)GB 38755—2019《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》中的定義，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以分為表1中幾類。

雖然大系統(tǒng)之間有各種有效的安全穩(wěn)定控制裝置和應(yīng)對突發(fā)狀況的措施，但就電網(wǎng)突發(fā)的局部故障而言，變電站斷路器故障運行是最為常見的電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)，變電站斷路器是檢修次數(shù)最多的元件。由于現(xiàn)階段電力系統(tǒng)對各級電力生產(chǎn)人員提出了更高的要求，現(xiàn)行的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和控制趨于復(fù)雜，很有必要加強對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究與理解，因此本文僅選取電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定進行研究。

1.2" " 電力系統(tǒng)暫態(tài)擴展等面積法則理論研究

電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性衡量的是電力系統(tǒng)中某個元件發(fā)生故障或整個系統(tǒng)受到內(nèi)外部大的干擾后，能否依靠自身的調(diào)控裝置或者其他措施達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)。假如電力系統(tǒng)中所有發(fā)電機組在經(jīng)歷暫態(tài)過程后仍然保持同步運行，那么這個系統(tǒng)就是暫態(tài)穩(wěn)定的。假如電力系統(tǒng)中所有發(fā)電機組在經(jīng)歷暫態(tài)過程后相互之間存在較大的相對轉(zhuǎn)速或者系統(tǒng)直接發(fā)生低頻振蕩，那么這個電力系統(tǒng)暫態(tài)不穩(wěn)定，可能導(dǎo)致系統(tǒng)的解列或瓦解，從而引發(fā)大面積的停電事故。

根據(jù)表1中穩(wěn)定分析的數(shù)學(xué)原理，時域仿真采用逐步積分法迭代微分方程，主要依賴于模型的準(zhǔn)確性，其規(guī)模過大，計算時間過長，只適用于實驗室建模分析和離線計算，尚不適應(yīng)安全分析和控制，目前主要在BPA程序和PSASP分析綜合程序。李雅普諾夫直接法又只能面向自治系統(tǒng)的原理解釋，而實際運行的電力系統(tǒng)本質(zhì)上是非自治非線性的，目前該方法都沒有嚴(yán)格的李雅普諾夫能量函數(shù)。等面積法則恰好適應(yīng)在有窮元件的模型應(yīng)用，在經(jīng)典單機和多機電力系統(tǒng)中都得到了良好的運用。

本文采用經(jīng)典的二階模型[1]，著重分析斷路器先故障運行后切除某回高壓輸電線路后的系統(tǒng)，構(gòu)建如圖1所示的電力等值系統(tǒng)，假設(shè)發(fā)電機內(nèi)電勢相量為E∠δ，頻率偏差為ω，負(fù)荷側(cè)為U∠0°，等值電抗為X∑，發(fā)電機慣性時間常數(shù)為M，電磁功率為Pe，機械功率為Pm，其數(shù)學(xué)模型為：

假設(shè)線路Ⅱ中某種類型的故障發(fā)生后開始對系統(tǒng)計時，在tc時刻故障被切除，系統(tǒng)在故障前中后對應(yīng)的功率特性曲線如圖1中PⅠ、PⅡ、PⅢ所示。且故障前穩(wěn)態(tài)發(fā)電機轉(zhuǎn)子角為δ0，系統(tǒng)穩(wěn)定平衡點發(fā)電機轉(zhuǎn)子角為δS，故障切除瞬間發(fā)電機轉(zhuǎn)子角為δc，系統(tǒng)失穩(wěn)不平衡點發(fā)電機轉(zhuǎn)子極限角為δu。

電力系統(tǒng)的安自裝置和繼電保護元件切除故障后，系統(tǒng)中發(fā)電機的電磁功率可以表示為Pe=PMsin δ，PM是功率特性曲線PⅢ的最大值。代入式（1），可得：

然后對式（2）的兩端進行分部積分，經(jīng)過一系列運算和合并整理，本文可以得到關(guān)于相平面上任一定點（δa，ωa）的軌跡方程：

如圖2所示，假若故障發(fā)生后，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子運動相圖剛好處于封閉的軌跡上，計及系統(tǒng)阻尼的影響，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。如果位于某個開軌跡上，縱使故障被及時切除，發(fā)電機與系統(tǒng)間將失去同步。

實際上，由于軌跡方程的第一項具備暫態(tài)動能的基礎(chǔ)雛形，按照拓展等面積法則，系統(tǒng)的加速暫態(tài)能量SA可以表示為：

系統(tǒng)的減速暫態(tài)能量SB可以表示為：

因此，判別故障切除之后系統(tǒng)是否能達到新的暫態(tài)平衡點，可以由系統(tǒng)暫態(tài)能量的比較直接得出。若系統(tǒng)的加速暫態(tài)能量SA大于系統(tǒng)的減速暫態(tài)能量SB，暫態(tài)運行中系統(tǒng)會越過極限切除角而使得系統(tǒng)失去穩(wěn)定；若系統(tǒng)的加速暫態(tài)能量SA剛好等于系統(tǒng)的減速暫態(tài)能量SB，暫態(tài)運行中系統(tǒng)達到臨界穩(wěn)定；若系統(tǒng)的加速暫態(tài)能量SA小于系統(tǒng)的減速暫態(tài)能量SB，暫態(tài)運行中系統(tǒng)總是在穩(wěn)定狀態(tài)?？梢酝频脴O限切除角的余弦值cos δcm為：

如果線路裝有重合閘裝置，斷路器故障運行之后會跳開本級線路，瞬時故障會重合成功再次達到穩(wěn)態(tài)運行，永久故障會再次跳開本級線路故障的斷路器。重合閘的動作時間和充電時間會導(dǎo)致切除故障的時間延長，因此得到重要結(jié)論：系統(tǒng)想保持一直在極限切除角前運行，快速切除故障是保障暫態(tài)穩(wěn)定的有效措施。要想達到這個條件，除了保障元件本身工藝水平優(yōu)秀之外，運維水平和檢修保持設(shè)備的高效運轉(zhuǎn)也是關(guān)鍵因素之一[2]。

2" " 斷路器故障運行的應(yīng)對措施

變電站斷路器故障運行的原因大體可以分為兩類，第一類是雷擊、雨滴、受潮、鳥糞等外部原因，第二類是拒合故障、拒跳故障等與斷路器自身機械結(jié)構(gòu)或者電氣回路相關(guān)的原因。由于第一類故障的發(fā)生有一定的偶然性，這里不再贅述，本文著重分析第二類故障[3]。

拒合故障，指的是斷路器在就地及遠程控制方式下發(fā)生拒絕合閘的故障現(xiàn)象。檢修人員在對此情況進行分析時，最根本的做法在于判斷出是電氣回路故障還是機械故障，可以采用以下方法：1）檢查斷路器的內(nèi)部線路是否存在絕緣破損、斷線、受潮、漏電等現(xiàn)象；2）檢查斷路器的控制電源是否正常運行；3）檢查控制開關(guān)與隔離開關(guān)，以便排除操作不當(dāng)引起的拒合；4）檢查傳動結(jié)構(gòu)是否有合閘線圈損壞、斷路器內(nèi)部卡滯等；5）檢查合閘鐵芯是否動作或者將控制開關(guān)置“0”位。總體來講，對于檢修工作而言，判斷拒合故障的步驟如下：先確定斷路器拒絕合閘的原因，然后結(jié)合斷路器的類型采用合適的方法對電氣回路、油壓、氣壓進行檢查。

拒跳故障，指的是斷路器在保護裝置發(fā)出跳閘指令時拒絕跳閘的現(xiàn)象。這類事故危害極大，盡管上級電源的后備保護可以切除大范圍故障，但仍會造成事故范圍的擴大，延長故障排除的時間，嚴(yán)重干擾電力調(diào)度人員進行事故處理和快速復(fù)電，甚至?xí)?dǎo)致電力系統(tǒng)崩潰。拒跳故障可分為操作回路電氣故障和操作機構(gòu)機械故障，在判別時可以采用以下方法：1）檢查故障斷路器指示燈光的情況，假如紅燈處于常滅狀態(tài)，則證明跳閘回路電氣故障；2）檢查故障斷路器輔助觸點有無接觸不良問題；3）檢查操作電源是否正常，跳閘鐵芯動作是否異常；4）定期開展跳閘回路維護試驗，對多年未動作的開關(guān)聯(lián)合調(diào)度部門開展不停電傳動試驗，在二次側(cè)給予跳閘的故障信號，檢測斷路器是否正常跳閘。

3" " 結(jié)束語

斷路器作為電能生產(chǎn)傳輸中不可或缺的設(shè)備之一，其作用主要是對線路進行控制和在故障時可以正確動作，從而保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。因此，本文著重分析了斷路器故障運行對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響，剖析了保障暫態(tài)穩(wěn)定的關(guān)鍵措施，結(jié)合檢修專業(yè)的知識，減少斷路器故障運行的概率，從而保障電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的穩(wěn)定性。

[參考文獻]

[1] 劉笙，汪靜.電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的能量函數(shù)分析[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2010.

[2] 殷明慧，鄒云.電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)保持模型相關(guān)不穩(wěn)定平衡點方法的理論分析[J].中國電機工程學(xué)報，2003，23（8）：32-37.

[3] 譚風(fēng)雷，陳昊，張海華，等.基于機械和電氣特性融合的高壓斷路器故障診斷方法[J].東北電力技術(shù)，2022，43（7）：26-31.

收稿日期：2023-05-22

作者簡介：陳嘉?。?991—），男，廣東江門人，工程師，研究方向：變電檢修。