兩起500kV斷路器重合失敗分析

李君明，臧 狀，徐建源，滕 云

(1.丹東供電公司，遼寧 丹東 118000;2.沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110870)

1 伊敏換流站故障情況

2011年1月2日，伊敏發(fā)電廠發(fā)生5053斷路器A相TA燒毀，連接TA與斷路器的母線脫落，脫落母線與互感器構(gòu)架搭接，造成A相接地故障，伊敏換流站5043斷路器與5042斷路器動(dòng)作，此時(shí)檢測(cè)到伊敏換流站的母線Ⅰ電壓并未恢復(fù)，伊敏發(fā)電廠5052斷路器與5053斷路器動(dòng)作，故障被隔離。由于接地故障并未消除，在伊敏換流站5043斷路器重合閘時(shí)，重合于永久性故障，5043斷路器上流過較大的短路電路。在伊敏換流站5043斷路器執(zhí)行跳三相操作的過程中，伊敏發(fā)電廠5052斷路器重合，伊敏換流站5043斷路器出現(xiàn)較大的直流分量，其A相未能熄滅電弧，導(dǎo)致后備保護(hù)動(dòng)作，使伊敏換流站與5043斷路器相連的母線Ⅱ被隔離。圖1為伊敏換流站及伊敏電廠故障的示意圖。

圖1 伊敏換流站及伊敏電廠故障示意圖

2 5043斷路器2次故障電流問題分析

本文在分析伊敏換流站5043斷路器沒有成功切除故障的原因時(shí)，通過仿真分析并結(jié)合伊敏換流站提供的5043斷路器A相電流錄波圖，提出了2個(gè)導(dǎo)致其開斷失敗的關(guān)鍵原因:一是在故障發(fā)生到故障切除這段時(shí)間內(nèi)，伊敏換流站5043斷路器A相的短路電流比其重合閘時(shí)的A相電流小近10倍;二是伊敏發(fā)電廠5052斷路器重合閘后，伊敏換流站5043斷路器A相出現(xiàn)較為嚴(yán)重的零點(diǎn)漂移，流過5043斷路器A相電流的交流分量相對(duì)較小，而直流分量幅值相對(duì)較大，這是導(dǎo)致伊敏換流站5043斷路器開斷失敗的主要原因。

3 5043斷路器零點(diǎn)漂移問題分析

從5043斷路器A相電流錄波圖中可以看出，在伊敏電廠5052斷路器閉合后，交流分量相對(duì)較小且出現(xiàn)了較大的直流分量，使故障電流在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不過零點(diǎn)，出現(xiàn)了零點(diǎn)漂移 (見圖2)。針對(duì)伊敏發(fā)電廠和伊敏換流站事故中的零點(diǎn)漂移問題，本文從3個(gè)方面進(jìn)行研究:發(fā)生故障時(shí)的電壓相角對(duì)直流分量的影響;發(fā)電機(jī)阻抗的影響;故障點(diǎn)位置與斷路器配合的影響。

圖2 5043斷路器A相電流錄波圖

3.1 發(fā)生故障時(shí)電壓相角對(duì)直流分量的影響

根據(jù)短路電流的數(shù)學(xué)模型可以得出，影響短路電流直流分量的因素有交流分量的幅值、負(fù)荷電流(即故障前電流)、時(shí)間常數(shù)、電壓初相角和故障前電壓與電流的夾角，由于伊敏發(fā)電廠和伊敏換流站系統(tǒng)參數(shù)在接地故障過程中變化較小，即同一點(diǎn)發(fā)生故障，相同的斷路器操作方式下，以上影響因素變化不大，唯一對(duì)直流分量影響嚴(yán)重的是在故障發(fā)生時(shí)電壓的相角。本文針對(duì)伊敏發(fā)電廠及伊敏換流站，計(jì)算出了伊敏發(fā)電廠5052斷路器重合閘時(shí)，伊敏換流站5043斷路器中短路電流與電壓相角的關(guān)系，如表1所示。

表1中，φ為伊敏發(fā)電廠5052斷路器重合閘相角，Δt為短路電流首次過零時(shí)間，τ為短路電流直流分量衰減時(shí)間，inp0為直流分量初始值。從表中可以看出，故障時(shí)的電壓相角對(duì)直流分量的影響較大。當(dāng)5052斷路器重合閘時(shí)，直流分量初始值、直流分量衰減時(shí)間及直流分量首次過零時(shí)間在伊敏換流站5043斷路器電壓相角為105°時(shí)均為最小，分別為0.246 kA、53.58 ms和8.64 ms，由于直流分量衰減時(shí)間小于20 ms，因此不發(fā)生零點(diǎn)漂移。

表1 5052斷路器重合閘時(shí)，伊敏換流站5043斷路器中的短路電流與電壓相角的關(guān)系

3.2 發(fā)電機(jī)阻抗對(duì)直流分量的影響

通過分析可知，導(dǎo)致伊敏換流站5043斷路器重合閘開斷失敗的主要原因是流過伊敏換流站5043斷路器的直流分量過大，而直流分量的大小與系統(tǒng)阻抗有關(guān)，發(fā)電機(jī)是系統(tǒng)阻抗的重要組成部分，因此研究發(fā)電機(jī)阻抗的變化對(duì)流過5043斷路器直流分量的影響是十分必要的。

3.2.1 發(fā)電機(jī)直軸同步電抗和交軸同步電抗對(duì)直流分量的影響

本文分別研究了改變發(fā)電機(jī)直軸同步電抗、交軸同步電抗及同時(shí)改變直軸同步電抗和交軸同步電抗對(duì)流過伊敏換流站5043斷路器短路電流的影響。

圖3給出了伊敏換流站重合閘開斷時(shí)，流過5043斷路器的故障電流的直流分量隨發(fā)電機(jī)直軸同步電抗的變化。仿真計(jì)算時(shí)，僅改變直軸同步電抗Xd，交軸同步電抗Xq保持不變。由圖3可以看出隨著發(fā)電機(jī)直軸同步電抗的增大，故障電流的直流分量呈減小趨勢(shì)，但幅值變化不大;直軸同步電抗增大到2倍以上時(shí)，故障電流的直流分量基本不變。

圖3 發(fā)電機(jī)直軸同步電抗對(duì)直流分量的影響

圖4給出了伊敏換流站重合閘開斷時(shí)，流過5043斷路器的故障電流的直流分量隨發(fā)電機(jī)交軸同步電抗的變化。仿真計(jì)算時(shí)，僅改變交軸同步電抗Xq，直軸同步電抗Xd保持不變。由圖4可以看出隨著發(fā)電機(jī)交軸同步電抗的增大，故障電流的直流分量呈減小趨勢(shì)，但幅值變化不大，最大值與最小值相差20 A左右。

圖5為當(dāng)伊敏發(fā)電廠G5及G6發(fā)電機(jī)交軸、直軸同步電抗同時(shí)變化時(shí)，對(duì)流過伊敏換流站5043斷路器的故障電流的直流分量的影響，由圖5可以看出，隨著發(fā)電機(jī)交軸、直軸同步電抗的增大，故障電流的直流分量呈減小趨勢(shì)，最大值與最小值相差150 A左右，變化的幅度大于僅改變直軸同步電抗或交軸同步電抗的情況。

3.2.2 發(fā)電機(jī)飽和度對(duì)直流分量的影響

圖6 發(fā)電機(jī)飽和程度對(duì)故障電流直流分量的影響

發(fā)電機(jī)飽和程度與發(fā)電機(jī)直軸暫態(tài)電抗和交軸暫態(tài)電抗、直軸次暫態(tài)電抗和交軸次暫態(tài)電抗的值相關(guān)，隨著飽和程度的增加，電抗值隨之減小。因此，研究發(fā)電機(jī)直軸暫態(tài)電抗和交軸暫態(tài)電抗、直軸次暫態(tài)電抗和交軸次暫態(tài)電抗對(duì)故障電流的直流分量的影響，可以根據(jù)飽和程度進(jìn)行研究。圖6給出了發(fā)電機(jī)飽和度變化與5043斷路器重合閘開斷時(shí)直流分量的關(guān)系。由圖6可見，發(fā)電機(jī)在飽和時(shí)，直流分量達(dá)到最小值6.902 kA，而在飽和前、不飽和、飽和與不飽之間及飽和后，故障電流的直流分量值基本一致;飽和時(shí)的最小值與其它4種情況下的直流分量幅值相差較大，為600 A左右，說明發(fā)電機(jī)直軸暫態(tài)電抗和交軸暫態(tài)電抗、直軸次暫態(tài)電抗和交軸次暫態(tài)電抗的值對(duì)故障電流直流分量的影響要大于發(fā)電機(jī)直軸電抗與交軸電抗值的影響。

3.3 故障點(diǎn)位置與斷路器配合對(duì)直流分量的影響

由于伊敏發(fā)電廠和伊敏換流站電氣連接的特殊性，在操作1臺(tái)斷路器時(shí)，勢(shì)必對(duì)其它斷路器產(chǎn)生影響［1］，例如操作伊敏電廠5052斷路器，而伊敏換流站5043斷路器出現(xiàn)零點(diǎn)漂移。本文以伊敏發(fā)電廠5052斷路器故障為參考，確定5051斷路器、5061斷路器和5063斷路器3個(gè)特殊的故障點(diǎn)，并依據(jù)5052斷路器與伊敏換流站斷路器的配合操作過程，確定各故障斷路器的配合情況，計(jì)算出3種情況下各動(dòng)作斷路器的直流分量大小、首次過零時(shí)間及直流分量衰減的時(shí)間。3個(gè)故障點(diǎn)位置如圖7所示。

圖7 3個(gè)特殊故障點(diǎn)位置

3.3.1 伊敏發(fā)電廠5061斷路器故障

依據(jù)伊敏發(fā)電廠5052斷路器故障時(shí)的情況，當(dāng)伊敏發(fā)電廠5061斷路器故障時(shí)，動(dòng)作的斷路器應(yīng)為伊敏發(fā)電廠5061斷路器、5062斷路器、伊敏換流站5031和5032斷路器。結(jié)合伊敏發(fā)電廠和伊敏換流站一次接線圖，建立仿真模型。

伊敏發(fā)電廠5062斷路器重合閘時(shí)，直流分量在伊敏換流站5031開關(guān)的電壓相角為0°時(shí)初始值最大，首次過零時(shí)間最長(zhǎng)，直流分量衰減時(shí)間也最長(zhǎng)，表2給出了各斷路器的短路電流情況。

表2 伊敏發(fā)電廠5061斷路器故障時(shí)，各動(dòng)作斷路器中短路電流

由表2可以看出，當(dāng)伊敏發(fā)電廠5061斷路器發(fā)生故障時(shí)，各動(dòng)作的斷路器中，伊敏換流站5031斷路器中的直流分量最大，達(dá)到6.894 kA，其短路電流首次過零時(shí)間更是達(dá)到了83.9 ms，發(fā)生了嚴(yán)重的零點(diǎn)漂移。雖然其直流分量比5043斷路器的直流分量小，但仍存在開斷失敗，導(dǎo)致斷路器燒壞，因此在設(shè)定伊敏換流站5031斷路器重合閘時(shí)應(yīng)引起注意。而其它動(dòng)作的斷路器均未出現(xiàn)零點(diǎn)漂移，短路電流首次過零時(shí)間均小于20 ms，不會(huì)出現(xiàn)零點(diǎn)漂移，而且直流分量衰減時(shí)間也較小，因此不存在開斷失敗和斷路器燒壞的危險(xiǎn)［2－3］。

3.3.2 伊敏發(fā)電廠5051斷路器故障

在伊敏發(fā)電廠5051斷路器處發(fā)生故障時(shí)，各斷路器的短路電流情況如表3所示。

表3 伊敏發(fā)電廠5051斷路器故障時(shí)，各動(dòng)作斷路器中短路電流

從表3中可以看出，短路電路直流分量出現(xiàn)最大值的點(diǎn)是5061斷路器處，其直流分量首次過零時(shí)間為4.19 ms，經(jīng)計(jì)算，第2次過零時(shí)間為18 ms，未出現(xiàn)零點(diǎn)漂移。這是因?yàn)槠浣涣鞣至糠狄草^大，直流分量幅值仍小于交流分量幅值，因此不存在開斷失敗的危險(xiǎn)［4－5］。其它斷路器處短路電流的直流分量較小，沒有出現(xiàn)零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，也不存在開斷失敗的危險(xiǎn)。

3.3.3 伊敏發(fā)電廠5063斷路器故障

在伊敏發(fā)電廠5063斷路器處發(fā)生故障時(shí)，各斷路器的短路電流情況如表4所示。

表4 伊敏發(fā)電廠5063斷路器故障時(shí)，各動(dòng)作斷路器中短路電流

由表4可以看出，短路電流直流分量最大的點(diǎn)在5052斷路器處，直流分量首次的過零時(shí)間小于20 ms，并沒有發(fā)生零點(diǎn)漂移，其它斷路器處的短路電流首次過零時(shí)間也小于20 ms，也未發(fā)生零點(diǎn)漂移，因此，在伊敏發(fā)電廠5063斷路器處發(fā)生故障時(shí)，并不存在斷路器開斷失敗或者斷路器燒壞的危險(xiǎn)。

表5列出了在不同故障位置，直流分量、短路電流首次的過零時(shí)間及短路電流衰減時(shí)間的最大值情況。

表5 不同故障點(diǎn)處短路電流直流分量最大值情況

從表5中可以看出，在伊敏發(fā)電廠5053斷路器和5061斷路器處發(fā)生接地故障時(shí)，會(huì)發(fā)生零點(diǎn)漂移，直流分量首次過零時(shí)間最長(zhǎng)為87.5 ms，為斷路器重合閘整定值提供參考。

4 結(jié)論

a.伊敏換流站5043斷路器開斷失敗的主要原因是流過5043斷路器的短路電流直流分量的幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于交流分量幅值，使短路電流出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間不過零點(diǎn)，導(dǎo)致斷路器滅弧失敗，而交流分量小的原因是伊敏發(fā)電廠和伊敏換流站斷路器間配合分流所致。此外，重合閘時(shí)的電壓相角對(duì)直流分量的大小影響較大。

b.發(fā)電機(jī)直軸同步電抗和交軸同步電抗都會(huì)對(duì)流過伊敏換流站5043斷路器上短路電流直流分量有一定的影響，但影響不大。

c.當(dāng)伊敏發(fā)電廠的5061斷路器處發(fā)生接地故障時(shí)，與之相配合的伊敏換流站5031斷路器會(huì)出現(xiàn)零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，存在開斷失敗或者斷路器燒壞的危險(xiǎn)。當(dāng)伊敏發(fā)電廠的5051或5063斷路器處發(fā)生故障時(shí)，與之相配合的斷路器不會(huì)發(fā)生零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，因此也不會(huì)存在開斷失敗或者斷路器燒壞的危險(xiǎn)。

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