500 kV 變電站串內(nèi)合環(huán)電流分析

杜敩， 陳昊， 任旭超， 劉永

(1. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司， 江蘇 南京211102；2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司徐州供電公司， 江蘇 徐州221000)

0 引言

隨著我國(guó)輸變電建設(shè)的推進(jìn), 500 kV 電網(wǎng)逐漸成為省級(jí)電網(wǎng)的主干網(wǎng)絡(luò)[1-4]。 500 kV 變電站是500 kV 電網(wǎng)的重要組成部分, 變電站運(yùn)維工作對(duì)于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義[5-7]。 變電站運(yùn)維人員可通過(guò)測(cè)控裝置的同期功能在電網(wǎng)頻率、 電壓幅值和電壓相位相差不大的情況下對(duì)斷路器下達(dá)合閘指令, 完成電力系統(tǒng)的合閘或并列操作, 無(wú)需依靠人工核對(duì)表計(jì)進(jìn)行合閘或并列操作[8-11]。 在正常運(yùn)行方式下, 500 kV 母線處于并列運(yùn)行狀態(tài), 兩條母線頻率、 電壓幅值、 相位等很接近, 此時(shí)可利用中斷路器直接進(jìn)行串內(nèi)合環(huán)操作, 合環(huán)時(shí)中斷路器的電流很小, 不會(huì)對(duì)電網(wǎng)設(shè)備和電力系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生沖擊和影響。

由于直流變電站對(duì)電網(wǎng)影響趨強(qiáng), 500 kV 變電站一般中斷路器重合閘不投(如華東電網(wǎng)500 kV站邊斷路器重合閘延時(shí)改為1. 3 s, 2016 年后不再采用中斷路器、 邊斷路器重合閘延時(shí)配合)。 在此背景下, 部分間隔在檢修狀態(tài), 而在運(yùn)行的完整串的線路事故跳閘后不自動(dòng)重合中斷路器, 如多條線路出現(xiàn)單跳單重, 兩條500 kV 母線存在短時(shí)分列運(yùn)行的概率, 此時(shí)兩條母線間的電壓幅值、 相位和頻率存在一定差異。 當(dāng)差值較大時(shí)利用中斷路器進(jìn)行串內(nèi)合環(huán), 可能會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流, 沖擊電流會(huì)嚴(yán)重影響電網(wǎng)設(shè)備和電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行[12-13]。 針對(duì)此問(wèn)題, 應(yīng)結(jié)合變電站具體拓?fù)浜腿粘＿\(yùn)行情況, 提前做好事故預(yù)想。

事故預(yù)想分析是變電站運(yùn)維工作中的一個(gè)重要組成部分, 結(jié)合已有事故案例分析, 進(jìn)行事故預(yù)想分析能夠有效提高電力系統(tǒng)安全運(yùn)行水平, 加強(qiáng)對(duì)運(yùn)維人員事故預(yù)想的反事故演習(xí)能夠在突發(fā)事件下實(shí)現(xiàn)有效應(yīng)對(duì), 有助于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[14-17]。 本文對(duì)此種故障下的串內(nèi)合環(huán)操作進(jìn)行事故預(yù)想, 研究500 kV 母線因故障分列運(yùn)行時(shí),利用中斷路器進(jìn)行串內(nèi)合環(huán), 兩條母線間的電壓幅值、 相位對(duì)中斷路器合環(huán)電流的影響, 通過(guò)建模仿真計(jì)算合環(huán)電流的大小, 判斷是否會(huì)對(duì)設(shè)備和電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生不利影響, 為運(yùn)維人員在突發(fā)狀況時(shí)的故障處理和操作提供有效的建議。

1 事故預(yù)想下的運(yùn)行方式介紹

正常情況下, 500 kV 母線處于并列運(yùn)行狀態(tài)。假設(shè)發(fā)生某種故障, 中斷路器跳閘使兩條母線分列運(yùn)行, 此時(shí)兩條母線分別掛有多條出線, 為便于仿真, 將兩條母線等效為各掛有一條出線負(fù)荷, 如圖1 所示。

圖1 事故預(yù)想下的運(yùn)行工況

故障后兩條出線負(fù)荷分別通過(guò)邊開(kāi)關(guān)5011 和5013 與Ⅰ母、 Ⅱ母相連, 中斷路器5012 處于分閘狀態(tài), 經(jīng)檢查排除故障后需將5012 中斷路器再次合上。 對(duì)此故障后的運(yùn)行方式進(jìn)行事故預(yù)想。 由于故障后兩條500 kV 母線處于分列運(yùn)行狀態(tài), 其電壓幅值、 相位等可能不滿足并列時(shí)的相關(guān)條件, 運(yùn)維人員需要仔細(xì)檢查兩條母線的電壓、 相位等信息, 本文將研究當(dāng)前運(yùn)行方式下能否進(jìn)行串內(nèi)合環(huán), 以及此時(shí)合環(huán)電流的大小是否會(huì)對(duì)設(shè)備和電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。

2 事故預(yù)想下中斷路器合環(huán)仿真分析

電力系統(tǒng)并列條件包括并列開(kāi)關(guān)兩側(cè)的電壓幅值、 相位相等以及并列開(kāi)關(guān)兩側(cè)電源的頻率相同。在事故預(yù)想的變電站母線運(yùn)行方式下進(jìn)行中斷路器串內(nèi)合環(huán)時(shí), 主要是關(guān)注串內(nèi)合環(huán)時(shí)能否滿足電力系統(tǒng)并列條件, 如果不滿足, 則可能產(chǎn)生沖擊電流, 而較大的沖擊電流則會(huì)對(duì)電網(wǎng)設(shè)備造成沖擊,影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行, 嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成故障跳閘。 由于是在同一變電站中進(jìn)行研究, 假定兩條母線在同一系統(tǒng)內(nèi), 母線間頻率差可以忽略不計(jì), 即認(rèn)為兩條母線頻率一致。 本文在PSCAD 仿真平臺(tái)上建模仿真, 在頻率相同的基礎(chǔ)上分別研究電壓幅值、 相位以及出線負(fù)荷等因素對(duì)中斷路器合閘并列的影響, 計(jì)算事故預(yù)想運(yùn)行方式下不同并列條件的合環(huán)電流, 分析是否會(huì)對(duì)設(shè)備和電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。

2.1 不同出線負(fù)荷對(duì)中斷路器合閘的影響

如圖1 所示, 第一串間隔有出線1 和出線2,其線路末端負(fù)荷分別為負(fù)荷1 和負(fù)荷2, 假設(shè)兩條母線電壓幅值、 相位和頻率都相同, 改變兩條出線的負(fù)荷來(lái)研究負(fù)荷不同對(duì)中斷路器合環(huán)電流的影響。 將Ⅰ母和Ⅱ母的電壓幅值均設(shè)為525 2 kV,電壓相位均為0°, 頻率均為50 Hz。 假設(shè)中斷路器電流正方向?yàn)槟妇€Ⅱ流向母線Ⅰ, 不同負(fù)荷情況下進(jìn)行合閘時(shí)的合環(huán)電流見(jiàn)表1。

表1 不同負(fù)荷情況下的中斷路器合環(huán)電流有效值最大值(一次側(cè))

以工況4 負(fù)荷1、 2 功率均為150 MW、 25 Mvar為例, 兩段母線電壓幅值、 相位、 頻率均一致, 中斷路器在1 s 時(shí)進(jìn)行合閘, 由于合閘前中斷路器兩側(cè)電壓幅值、 電流均相同, 兩端為等電位, 因此合閘前中斷路器電流為零, 合閘后中斷路器電流也為零。

以工況6 負(fù)荷2 功率360 MW、 50 Mvar, 負(fù)荷1 功率150 MW、 25 Mvar 為例, 兩段母線電壓幅值、 相位、 頻率均一致, 中斷路器在1s 時(shí)進(jìn)行合閘, 其一次側(cè)電流波形(A 相) 如圖2、 3 所示。

圖2 工況6 下0～10 s 的合環(huán)電流工頻 分量有效值和直流分量

圖3 工況6 下0. 9～1. 1 s 的合環(huán)電流波形

從圖2、 3 中可以看出, 合閘后的中斷路器電流在正弦波基礎(chǔ)上疊加有直流分量, 且直流分量隨時(shí)間在不斷衰減。 不同保護(hù)裝置廠家對(duì)此電流有不同的計(jì)算方法, 本文采用正弦波有效值和直流分量有效值疊加的方法進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)不同工況下的中斷路器合環(huán)電流進(jìn)行計(jì)算和分析, 可以發(fā)現(xiàn), 當(dāng)母線電壓幅值、 相位、 頻率一致時(shí), 出線負(fù)荷相差越大則中斷路器合閘并列時(shí)的合環(huán)電流越大, 電流方向?yàn)檩p負(fù)荷側(cè)流向重負(fù)荷側(cè)； 當(dāng)兩條出線負(fù)荷相差過(guò)大時(shí), 其合環(huán)電流較大, 對(duì)設(shè)備和電網(wǎng)運(yùn)行造成沖擊, 產(chǎn)生不利影響。

2.2 母線電壓幅值差異對(duì)中斷路器合閘的影響

假設(shè)兩條母線電壓相位和頻率相同, 且兩條出線的負(fù)荷相同, 改變母線的電壓幅值來(lái)研究幅值不同對(duì)中斷路器合環(huán)電流的影響。 將Ⅰ母和Ⅱ母的電壓相位均設(shè)為0°, 頻率均為50 Hz, 兩條出線的負(fù)荷均為150 MW 和25 Mvar。 假定中斷路器電流正方向?yàn)槟妇€Ⅱ流向母線Ⅰ, 不同電壓幅值情況下進(jìn)行合閘時(shí)的中斷路器合環(huán)電流見(jiàn)表2。

表2 不同電壓幅值情況下的中斷路器合環(huán)電流有效值最大值(一次側(cè))

以工況11 下Ⅰ母、 Ⅱ母電壓幅值分別為535 2 kV、 525 2 kV 為例, 兩條母線電壓相位和頻率均一致, 中斷路器在1 s 時(shí)進(jìn)行合閘, 其一次側(cè)電流波形(A 相) 如圖4、 5 所示。

圖4 工況11 下0～10 s 的合環(huán)電流工頻 分量有效值和直流分量

圖5 工況11 下0. 9～1. 1 s 的合環(huán)電流波形

以工況12 下Ⅰ母、 Ⅱ母電壓幅值分別為545 2 kV、 525 2 kV 為例, 兩條母線電壓相位和頻率均一致, 中斷路器在1 s 時(shí)進(jìn)行合閘, 其一次側(cè)電流波形(A 相) 如圖6、 7 所示。

圖6 工況12 下0～10 s 的合環(huán)電流工頻 分量有效值和直流分量

圖7 工況12 下0. 9～1. 1 s 的合環(huán)電流波形

結(jié)合工況11、 工況12 下的中斷路器電流波形和表2 中的數(shù)據(jù)可以看出, 當(dāng)母線電壓相位、 頻率和出線負(fù)荷一致時(shí), 母線電壓幅值相差越大, 則中斷路器合閘并列時(shí)的電流越大, 電流方向由高電壓母線流向低電壓母線； 當(dāng)兩條母線電壓幅值相差過(guò)大時(shí), 中斷路器合環(huán)電流較大, 對(duì)設(shè)備和電網(wǎng)運(yùn)行造成沖擊, 產(chǎn)生不利影響。

2.3 不同母線電壓相位對(duì)中斷路器合閘的影響

假設(shè)兩條母線電壓幅值和頻率相同, 且兩條出線的負(fù)荷相同, 改變母線的電壓相位來(lái)研究相位不同對(duì)中斷路器合環(huán)電流的影響。 將母線Ⅰ和母線Ⅱ的電壓幅值均設(shè)為525 2 kV, 頻率均為50 Hz, 兩條出線的負(fù)荷均為150 MW 和25 Mvar。 假定中斷路器電流正方向?yàn)棰蚰噶飨颌衲? 不同電壓相位情況下進(jìn)行合閘時(shí)的中斷路器電流見(jiàn)表3。

以工況16 下Ⅰ母、 Ⅱ母電壓相位分別為0°、-0. 2°為例, 兩條母線電壓幅值和頻率均一致, 中斷路器在1 s 時(shí)進(jìn)行合閘, 其一次側(cè)電流波形(A相) 如圖8、 9 所示。

表3 不同電壓相位情況下的中斷路器合環(huán)電流有效值最大值(一次側(cè))

圖8 工況16 下0～10 s 的合環(huán)電流工頻 分量有效值和直流分量

圖9 工況16 下0. 9～1. 1 s 的合環(huán)電流波形

以工況17 下Ⅰ母、 Ⅱ母電壓相位分別為0°、-1°為例, 兩段母線電壓幅值和頻率均一致, 中斷路器在1 s 時(shí)進(jìn)行合閘, 其一次側(cè)電流波形( A相) 如圖10、 11 所示。

結(jié)合工況16、 工況17 下的中斷路器電流波形和表3 中的數(shù)據(jù)可以看出, 當(dāng)母線電壓幅值、 頻率和出線負(fù)荷一致時(shí), 母線電壓相位相差越大則中斷路器合閘并列時(shí)的電流越大, 電流方向由高壓母線流向低壓母線； 當(dāng)兩條母線電壓相位相差過(guò)大時(shí),中斷路器合環(huán)電流較大, 對(duì)設(shè)備和電網(wǎng)運(yùn)行造成沖擊, 產(chǎn)生不利影響。

圖10 工況17 下0～10 s 的合環(huán)電流工頻 分量有效值和直流分量

圖11 工況17 下0. 9～1. 1 s 的合環(huán)電流波形

2.4 母線電壓、 相位以及出線負(fù)荷對(duì)中斷路器合閘的綜合影響

仍考慮事故預(yù)想的電力系統(tǒng)運(yùn)行方式下, 綜合分析母線電壓、 相位以及出線負(fù)荷對(duì)中斷路器合閘并列的影響。 現(xiàn)將母線電壓、 相位以及出線負(fù)荷三個(gè)因素綜合考慮, 研究在事故預(yù)想運(yùn)行方式且電網(wǎng)運(yùn)行較惡劣情況下對(duì)中斷路器合環(huán)電流的影響, 判斷是否會(huì)對(duì)設(shè)備和電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。 此時(shí)仍假定中斷路器電流正方向?yàn)槟妇€Ⅱ流向母線Ⅰ, 其中兩條母線頻率均為50 Hz, 不同電壓幅值、 相位和負(fù)荷情況下進(jìn)行合閘時(shí)的中斷路器電流見(jiàn)表4。綜合電壓幅值、 相位和出線負(fù)荷等因素考慮, 從表4 的結(jié)果中可以看出, 在事故預(yù)想的電力系統(tǒng)運(yùn)行方式下利用中斷路器進(jìn)行合閘并列時(shí), 當(dāng)兩條母線電壓幅值、 相位和兩條出線負(fù)荷均處于不利條件且相差較大時(shí), 如工況19、 20 所示, Ⅰ母電壓幅值、相位均小于Ⅱ母電壓幅值、 相位且出線1 負(fù)荷大于出線2 負(fù)荷。 此時(shí)中斷路器的電流有效值將會(huì)迅速增大, 從工況19 中的412. 4 A 增至工況20 中858. 8 A, 合環(huán)時(shí)的沖擊電流較大, 很有可能對(duì)設(shè)備和電網(wǎng)運(yùn)行造成沖擊, 產(chǎn)生不利影響。 因此, 在利用中斷路器合閘將兩條母線并列操作時(shí)應(yīng)盡可能注意當(dāng)時(shí)的運(yùn)行條件, 盡可能避免在母線電壓幅值、 相位和出線負(fù)荷相差過(guò)大時(shí)進(jìn)行合閘。

表4 不同電壓幅值、 相位和負(fù)荷下的中斷路器合環(huán)電流有效值最大值(一次側(cè))

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)500 kV 變電站某種故障下的運(yùn)行方式進(jìn)行事故預(yù)想分析, 研究此種情況下利用中斷路器進(jìn)行兩條母線的合環(huán)并列操作時(shí), 母線電壓、 幅值和出線負(fù)荷等因素對(duì)中斷路器合環(huán)電流的影響。研究結(jié)果表明, 當(dāng)母線電壓、 幅值和出線負(fù)荷這些因素均處于不利條件且相差較大時(shí), 合環(huán)時(shí)的沖擊電流較大, 很有可能對(duì)設(shè)備和電網(wǎng)運(yùn)行造成沖擊,產(chǎn)生不利影響。 因此建議運(yùn)維人員遇到類似情況時(shí), 應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注母線的電壓、 相位, 并且采取相關(guān)措施盡可能使母線電壓幅值、 相位一致, 在出線負(fù)荷相差不大的情況下進(jìn)行合閘并列操作。