電力系統220kV線路單相自動重合閘仿真分析

陳超

(韶關曲江供電局，廣東韶關512100)

1 引言

占據電力系統中大部分故障是瞬時性故障，根據統計，目前電力系統中超過70%故障是單相接地故障，這里面又有80%的故障是瞬時性故障［1］，而自動重合閘的成功率一般為60% ～90%［2］。因此采用自動重合閘后，電力系統發生瞬時性故障時供電的連續性、系統運行的穩定性得到了很大的提高。此外，自動重合閘有效地糾正由于斷路器或繼電保護誤動作引起的誤跳閘。但是，由于自動重合閘不能識別永久性故障，所以會出現重合于永久性故障的情況，這給系統和設備帶來很大的危害，主要表現為［2］:(1)重合于永久故障，將會對電力系統造成再次沖擊，有可能使電力系統失去穩定性，使斷路器工作條件變得惡劣;(2)汽輪發電機送出端重合，有可能對發電機軸系造成嚴重損傷。本文通過Matlab仿真軟件對220kV輸電線路單相自動重合閘過程進行仿真研究，為這一領域進一步發展提供參考。

2 單相自動重合閘特性研究

在220～550kV的架空線路上，由于線間距離大，大部分故障都是單相接地故障。因此，若是只將故障相斷開，然后進行單相重合，而未發送故障的兩相繼續運行，這樣大大提高了供電的可靠性以及系統并列運行的穩定性。這種重合閘就是單相重合閘。若是系統發生的是瞬時性的故障，則單相合閘成功，系統恢復正常運行。若是線路發生的是永久性的故障，單相合閘不成功，就需要根據系統的實際情況，若是不允許長期非全相運行時，應該切除三相并不再運行;如果需要轉入非全相運行時，則應再次切除單相，再不進行重合［3］。下面就單相重合閘的幾個主要問題進行研究。

2.1 故障相選擇元件

(1)電流選相元件:在每相上裝設一個過流繼電器，按照啟動電流大于最大負荷電流的原則整定其啟動電流，以保證動作的選擇性;

(2)低電壓選相元件:用三個低電壓繼電器分別結語三相的相電壓上，低壓繼電器是根據故障相電壓降低的原理而動作;

(3)阻抗選相元件:用三個低阻抗繼電器分別接于三個相電壓和經過零序補償的相電流上，以保證繼電器的測量阻抗與短路點到保護安裝地點之間的正序阻抗成正比;

(4)相電流差突變量選相元件:利用每量相的相電流之差構成三個選相元件，其原理是利用故障時電氣量發生突變的原理構成的。

2.2 動作時限的選擇

單相重合閘的動作時限的選擇除了滿足三相重合閘時的要求還要考慮如下問題:

(1)無論是單側電源還是雙側電源，要考慮兩側選相元件與繼電保護以不同時限切除故障的可能性;

(2)潛供電流對滅弧產生的影響。

2.3 保護裝置、選相元件與重合閘回路的配合關系

保護裝置、選相元件以及重合閘回路這三者之間互相配合的方框結構示意圖如圖1所示。

圖1 保護裝置、選相元件和重合閘回路互相配合的方框結構示意圖

在單相重合閘的過程中，由于出現縱向不對稱的緣故，由此產生負序和零序分量，從而可能引起本線路保護以及系統中其它保護誤動作。對于可能產生誤動作的保護，應該在單相重合閘動作的時候對其進行閉鎖或者整定保護的動作時限大于單相重合閘的周期，以免發生誤動作。

為實現對誤動作保護的閉鎖，在單相重合閘以及繼電保護相連接的輸入端都設有兩個端子，一個保護接入在非全相運行中仍然繼續工作的保護，一般稱之為N端子;另一個端子接入可能非全相運行中可能誤動作的保護，稱為M端子。在重合閘工作后，利用“否”回路即可將接于M端的保護閉鎖。當繼電器合閘而恢復全相運行時，這些保護也恢復工作。保護裝置與選相元件動作后，經“與”門進行單相跳閘，并同時啟動合閘回路。對于單相接地故障，就進行單相跳閘和單相重合［3］。

2.4 單相重合閘的優點以及所存在的問題

(1)單相重合閘的優點:

1)可以實現在絕大部分的故障情況下保證用戶的連續供電，因此提高了供電的可靠性。特別是當單側電源單側回路帶重要負荷供電時，對保證不間斷供電更有顯著的優越性;

2)而對于雙端供電而言，可在故障時大大加強兩個系統之間的聯系，因此提高了系統并列運行的動態穩定性。相較于薄弱的系統，當三相切除后再進行三相重合閘而很難恢復同步時，若采用單相重合閘就能夠避免兩系統解列。

(2)單相重合閘的缺點:

1)需要裝設按相操作的斷路器;

2)由于需要專門的選相元件與繼電保護配合，還要考慮一些特殊的要求，使得重合閘回路的接線較為復雜;

3)為了防止在單相重合閘的過程中，由于非全相運行可能引起本線路和電網中其它線路保護誤動作，會造成保護的接線、整定計算以及調試工作復雜化。

鑒于單相重合閘的優缺點，因此在220～500kV的線路上獲得大規模的應用。而相對110kV的線路，一般不采用單相重合閘，僅僅會在由單側電源供電向重要負荷供電的某些線路及根據系統運行需要裝設單相重合閘的重要線路上，才會考慮使用。

3 基于Matlab的單相重合閘仿真模型的搭建

本文利用Matlab仿真軟件搭建了一個系統電壓等級為220kV，且為雙端供電系統［4-5］。其系統圖如圖2所示，其主要參數設置如下。

(1)三相電壓源模塊:

電源電壓:220kV;初相角:0°;頻率:50Hz。

(2)線路分布參數:

頻率:50Hz;每公里的電阻值:0.0117Ω/km;每公里的電感值:8.679×10-4H/km;每公里的電容值:1.341×10-8H/km。

(3)三相變壓器參數:

接線方式:三角型;一側繞組和二次繞組的變比:1∶16;勵磁電阻:150pu;勵磁電感:150pu。

(4)三相電源參數:

接線方式:Yg;初相角:0°;輸出電壓:13.8kV;輸出頻率:50Hz。

(5)負載參數

負載1:額定電壓:220kV;頻率:50Hz;有功功率:1.2×106W;感性無功功率:1.2×108var;容性無功功率:1×103var。

負載2:額定電壓:220kV;頻率:50Hz;有功功率:3×106W;感性無功功率:1×104var;容性無功功率:2×103var。

負載3:額定電壓:13.8kV;頻率:50Hz;有功功率:7×108W;感性無功功率:2×103var;容性無功功率:1 ×103var。

4 仿真結果分析

仿真設置:系統仿真時間0.3s;C相單相接地故障時間:0.1～0.16s;C相斷路器斷開時間:0.12s;C相斷路器自動重合閘時間:0.18s。仿真后故障線路三相電流和電壓波形如圖3、圖4所示。

仿真過程描述:因為本系統采用雙端電源供電，所以當線路的C相發生單相接地故障時，斷路器切除故障點并未對母線電壓造成很大的改變。C相發生接地故障期間(0.1～0.16s)，C相斷路器斷開，其電流變為0，而其它兩相的電流幅值減小;故障切除后，重合閘成功，三相電流經過一個暫態過程又恢復到穩定狀態運行。

5 結論

圖2 220kV系統單相重合閘仿真模型圖

圖3 單相重合閘故障線路電壓波形

圖4 單相重合閘故障線路電流波形

本文在研究單相自動重合閘工作特性的基礎上建仿真結果表明:在電力系統發生瞬時性單相接地故障時，可以準確切除故障相，實現單相自動重合閘。結果立了基于Matlab的單相自動重合閘相仿真模型。其表明用Matlab對單相自動重合閘進行仿真研究，方法簡單有效，可以為電力系統工作人員提供一個有效分析類似問題的有力工具，本文搭建的模型可作為研究單相重合閘的參考模型。

［1］索南加樂，劉輝，吳亞萍，等.基于故障測距的單相自動重合閘永久故障電壓自適應補償判據［J］.中國電機工程學報，2004，24(4):80.

［2］郭相國，張保會.自適應自動重合閘現狀與發展［J］.繼電器，2004，32(16):77-78.

［3］賀家李，宋從矩.電力系繼電保護原理［M］.北京:中國電力出版社，1994:153-169.

［4］胥杰，張永健，高亮，等.單相自動重合閘故障選相元件及MATLAB 仿真研究［J］.高壓電器，2010，46(9):19-21.

［5］王忠禮，段慧達，高玉峰.MATLAB應用技術在電氣工程與自動化專業中的應用［M］.北京:清華大學出版社，2007:146-185.