交流特高壓同桿并架線路上使用自適應重合閘應用價值分析研究

華北電力大學 彭 華 羅克宇

國家廣播電影電視總局 張月文

華北電力設計院工程有限公司 張道農

華北電力大學 張建華

交流特高壓同桿并架線路上使用自適應重合閘應用價值分析研究

華北電力大學 彭 華 羅克宇

國家廣播電影電視總局 張月文

華北電力設計院工程有限公司 張道農

華北電力大學 張建華

本文以即將建設的交流特高壓工程為例，利用輔助計算工具對同桿并架特高壓線路是否采用單相自適應重合閘方案進行不同的故障分析，以期了解其在工程中的應用價值，研究其是否能保證和提高電網的安全穩定運行水平。

交流特高壓線路；潛供電流；單相自適應重合閘

1.引言

從我國近些年輸電線路故障運行記錄的統計結果看，輸電線路故障90%以上是單相接地故障，且大都是暫時性的，系統多采用單相自動重合閘來消除故障[1]。使用單相自動重合閘的目的是為了在瞬時性故障消除后使線路重新投入運行，從而盡快恢復系統的正常運行狀態。但目前的重合閘技術存在2個主要問題：

1)不能區分瞬時和永久故障，可能重合于大電源系統出口的永久故障，使電力系統及電力設備又一次受到嚴重故障的沖擊。

2)不能判別故障點是否已經熄弧，重合閘出口的延時是固定的，可能造成瞬時性故障因故障點尚未熄弧而重合不成功。

自適應重合閘能從根本上解決盲目重合閘的問題，消除重合于永久故障對系統和機組的危害，充分發揮快速自動重合閘的作用[2-3]。近年來，單相自適應重合閘的理論和方法日趨成熟，為其實用化奠定了理論基礎。單相自適應重合閘的核心內容是故障性質的判別，對該問題的研究主要有以下幾種方法[4]：

1)基于故障恢復電壓的方法。文獻[5-6]給出了永久性故障判別的修正電壓判據；文獻[7-8]在故障性質的判別方法上引入了人工智能，但應用相對復雜。

2)基于故障電弧特性的方法[9-11]。該方法難以確定判據使用的時間，且必須在較短時間內連續采樣，計算各次諧波，計算復雜，靈敏性受諧波大小的影響。

3)基于高頻通道信號衰減率的方法[12]。該方法受線路長度和天氣等因素影響，對于不采用高頻通信的線路無法使用。

4)對于帶并聯電抗器的輸電線路，由于恢復電壓低，不便于檢測，文獻[13]提出利用并聯電抗器故障相電流判別瞬時性故障和永久性故障。

以上這些參考文獻對于如何實現自適應重合閘技術進行了研究，但均沒有從工程實際情況出發來考慮這項技術對于工程建設以及生產運行所帶來的影響。而對于目前正在建設的特高壓交流輸電線路來說，由于交流特高壓網架比較薄弱，承載著區域間互聯的作用，傳輸的功率比較大，在跨線故障重合失敗后兩回線路均跳開，可能造成一個地區電網潮流嚴重的不足，給整個系統的運行帶來不利的影響，因此對于交流特高壓建設初期，更需要采取新的技術來保證和提高電網的安全穩定運行水平。

本文就此問題以規劃中的交流特高壓工程為例，利用輔助計算工具對同桿并架特高壓線路是否采用單相自適應重合閘方案進行不同故障條件下的對比，以期了解其在工程中的應用價值，研究其是否能保證和提高電網的安全穩定運行水平。

2.電氣計算基礎條件

1)計算水平年

本文所研究工程規劃2015年左右投產，因此選取2015年作為計算水平年。

2)計算負荷和裝機

在潮流穩定計算中，以推薦的負荷和裝機方案為基礎，扣除部分接入220kV及以下電網的小機組和相應的負荷作為計算負荷和裝機。

3)設計水平年的網架基礎

以國家電網總體規劃設計為指導，參照區域及省域電網公司“十二五”電網發展規劃相關研究成果。

4)發電機、負荷模型

發電機模型采用帶阻尼繞組的次暫態電勢的Ed”，Eq”模型，計及原動機、調速器及PSS的作用。

負荷模型為華中、華東電網和除山東電網外的華北電網均為40%恒阻抗，60%恒功率模型；山東電網為50%恒阻抗，50%恒功率模型。

5)采用的模擬故障類型及切除時間

◆故障類型

1000kV線路三永故障

1000kV交流一回線路故障，保護誤跳另一回線路

同桿架設雙回線跨線故障

◆故障切除時間

1000kV線路單相瞬時接地故障，重合閘成功：0秒單相接地、0.1秒線路兩側單相跳、1.0秒重合閘成功；

1000kV線路單相永久接地故障：0秒單相接地、0.1秒線路兩側單相跳、1.0秒重合閘失敗、1.1秒兩側三相跳開；

1000kV線路三相短路：0.0秒故障，0.1秒切除故障；

一回線故障保護誤跳兩回線路：0.0秒三相短路，0.1秒切除雙回線路。

1000kV線路跨線異名相永久性故障，0秒跨線故障、0.1秒兩回線路兩側單相跳、1.0秒一回線重合閘成功、1.1秒另一回線三相跳開；

1000kV線路跨線異名相永久性故障，0秒跨線故障、0.1秒兩回線路兩側單相跳、1.0秒兩回線重合閘失敗、1.1秒兩回線三相跳開；

切機時間：0.3s。

6)穩定判據

根據《電力系統安全穩定導則》(DL755-2001)、《電力系統技術導則》(SDJ131-84)、《電力系統設計技術規程》(SDJ161-85)、《電力系統暫態穩定計算暫行規定》(87電生供字第205號)等規程規定，電力系統穩定包括功角穩定、電壓穩定和頻率穩定三個方面。程序計算中，若三者都穩時，則系統是穩定的；若有一個不能穩定，則判定系統失穩。

◆功角穩定

●暫態穩定

暫態穩定的判據是電網遭受每一次大擾動后，引起電力系統各機組之間功角相對增大，在經過第一或第二個振蕩周期不失步，作同步的衰減振蕩，系統中樞點電壓逐漸恢復。

●動態穩定

動態穩定指電力系統受到擾動后，在自動調節和控制裝置的作用下，保持長過程的運行穩定性。

在計算過程中，如發生等幅或增幅振蕩，則判定為動態不穩定；若系統在動態搖擺過程中發電機相對功角和輸電線路功率呈衰減振蕩狀態，電壓和頻率能恢復到允許的范圍內，則認為是動態穩定的。

◆電壓穩定標準

根據大量工程分析的經驗，電壓穩定判別采用如下標準：

樞紐母線電壓低于0.75pu持續時間0.8秒以內：穩定；

樞紐母線電壓低于0.75pu持續時間0.8～1.0秒范圍內：臨界；

樞紐母線電壓低于0.75pu持續時間1.0秒以上：不穩定。

◆頻率穩定標準

在采取切機、切負荷措施后，不發生系統頻率崩潰，且能夠恢復到正常范圍及不影響大機組的正常運行。

在上述三個方面均能滿足的情況下，則認為系統是穩定的。

7)研究所用工具

本文采用中國電力科學研究院系統所PSD電力系統軟件工具進行計算分析。

3.潮流計算

本文研究的目標網架潮流分布見圖2-1所示。其中晉中站匯集寧東、靖邊能源基地電力約6000MW，匯集蒙西能源基地電力約4000MW，分別通過靖邊～晉中～豫北～徐州～連云港和蒙西～晉中～晉東南～南陽～荊門雙回特高壓通道送至華中東四省及華東長三角負荷中心。

根據潮流計算，各電壓等級的母線電壓及線路潮流均在允許范圍內，潮流流向合理，無線路過載，各主要送出線路均滿足“N-1”要求。

圖2-1 目標網架正常方式潮流圖

4.仿真結果與分析

1）暫態穩定校核

基于上述潮流方式，分別計算效驗晉中附近同桿并架雙回線路跨線故障采用不同重合閘方式對系統穩定性的影響。

●計算故障方式列表（如表3-1）所示

●計算結果及采取穩控措施列表（如表3-2）所示

●穩定曲線圖（如圖3-1～圖3-8）

2）計算結果分析

經過上面的對比計算可以看出：

對于蒙西～晉中雙回線為大電源的集中送出線路，外送功率較大，在表3-3中方式一、方式三的計算中，對于按照傳統的運行方式兩回線分別采用單向重合閘方式時，當故障為永久性故障，重合不成功時要雙回線同時切除跳開。由于蒙西站本期沒有500kV的就地負荷，因此當蒙西～晉中線路雙掉后，線路潮流無法轉移，導致連接到蒙西變周圍的全部蒙西電廠發電機順序失步，系統同一時間失去較大電源后導致系統電壓頻率波動很大，對系統影響較大，同時蒙西地區大量電力無法送出。

表3-1 故障方式列表

表3-2 計算結果及采取穩控措施列表

在表3-3中方式二、四的計算中，當蒙西～晉中雙回線采用自適應重合閘方式按相重合閘運行方式時，當一條線路先重合成功后，判斷故障為永久性故障另一條線不再重合跳開三相，故障擾動相當于線路N-1故障，系統能保持穩定，仍然能夠保證蒙西地區的機組送出，對系統影響較小。

晉中～晉東南雙回線為負荷較重的大功率傳輸線路，傳輸功率較大，在特高壓電網中處于重要地位，在表3-3中方式五、方式七的計算中，對于按照傳統的運行方式兩回線分別采用單相重合閘方式時，當故障為永久性故障，重合不成功時要雙回線同時切除跳開，對系統有較大擾動，引起大量的潮流轉移，導致系統嚴重失穩，需要配置相應的安全穩定裝置快速切除周圍大量機組，才能保持系統穩定，切機容量約3600MW，對系統安全穩定影響較大。

在表3-3中方式六、八的計算中，當晉中～晉東南雙回線采用自適應重合閘方式按相重合閘運行方式時，當一條線先重合成功后，判斷故障為永久性故障另一條線不再重合跳開三相，故障擾動相當于線路N-1故障，對系統影響較小，不需采取任何措施就能保持系統穩定運行，極大的提高了系統的安全穩定性，同時避免了大量快速切機對機組的破壞性損傷。

3）穩定計算結論

通過以上穩定計算分析，可以看出對于蒙西、靖邊等大電源送出和負荷較重的同桿并架雙回線路來說，采用自適應重合方式可以大大提高系統的穩定裕度，增加電源送出的可靠性、提高機組運行的可靠性、減少

-67-電廠因線路無法送出而引起的機組停機的時間，能較好的提高相關電廠的經濟效益。

進一步，在以上同桿并架線路發生多回線跨線故障，按照常規運行方式，均采用單相重合閘，在發生多相故障時，保護直接三跳不重合，等于線路發生N-2故障，對系統有較大的擾動，需要切除靖邊、蒙西共機組5640MW左右機組才能保持系統穩定。如果在該線路上能夠采用自適應按相順序重合閘，如果為瞬時性故障，則重合閘成功后，不需要切機；即使對于永久性故障按序重合一回線，重合成功的概率也較高，相當于系統N-1故障，也能極大地提供系統的穩定，所以在1000kV特高壓同桿并架線路上使用自適應重合閘有較大的應用價值。

5.結論

綜合以上各節分析情況，我們可以得出以下結論：

同桿并架線路發生單相瞬時及永久性故障的可能性較高，因此采用自適應重合閘的順序重合閘方式是可行的，其對系統暫穩水平提高了很多，有較大的應用價值。如果外部其它條件具備后，可以在工程中積極推薦使用。

[1]王皓,李永麗,李斌.750kV及特高壓輸電線路抑制潛供電弧的方法[J].中國電力,2005,38(12).

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[3]牛曉明,王曉彤,施圍.超高壓串聯補償輸電線路的潛供電流和恢復電壓[J].電網技術,1998,22(9).

[4]宋國兵,索南加樂,孫丹丹.輸電線路永久性故障判別方法綜述[J].電網技術,2006,30(18).

[5]范越,施圍.輸電線路單相重合閘電壓判據的修正[J].電力系統自動化,2000,24(6).

[6]林湘寧,朱海昱,劉沛.基于模糊綜合決策的自動重合閘優化判據的研究[J].電力系統自動化,1997,21(9).

[7]陳少華,張輝,陳允平.智能型自適應單相重合閘的應用研究[J].電力系統自動化,2002,26(3).

[8]陳璟華,陳少華,楊宜明.基于BP神經網絡的自適應單相重合閘研究[J].高壓電器,2003,39(4).

[9]孫靜,李興源,李立.基于小波變換和ANN的最佳重合閘時刻的研究[J].電力系統自動化,2000,24(15).

[10]李斌,李永麗,黃強.單相自適應重合閘相位判據的研究[J].電力系統自動化,2003,27(22).

[11]劉海峰,林湘寧,劉沛.基于形態學閉開-開閉梯度變換的單相自適應重合閘方案[J].電力系統自動化,2005,29(21).

[12]索南加樂,孫丹丹,付偉.帶并聯電抗器輸電線路單相自動重合閘永久故障的識別原理研究[J].中國電機工程學報,2006,26(11).

[13]李永麗,李斌,黃強.基于高頻保護通道信號的三相自適應重合閘方法[J].中國電機工程學報,2004,24(7).

Research and analysis on the value for adaptive reclosure applied to on-same-tower UHVAC power transmission line

Penghua1Luo Keyu1Zhang Yuewen2Zhang Daonong3Zhang Jianhua1
（1.North China Electric Power University，Beijing Changping，102206；2.The State Administration Of Radio Film And Television，Beijing Xicheng，100866；3.North China Power Engineering(Beijing)CO.，LTD，Beijing Xicheng，100120）

s：The paper includes different fault analysis on feasibility studies of single-phase reclosure applied to on-same-tower UHV-AC power transmission line.The practical case of an in-constructing UHV project is introduced with auxiliary calculation tools.Application benef ts are evaluated on improving the stability and reliability of power grid.

UHV-AC power transmission line；supply current；single-phase adaptive reclosure

彭華（1976—），男，碩士研究生，研究方向：電力系統繼電保護、電力系統穩定預測與緊急控制等。

羅克宇（1975—），男，碩士研究生，研究方向：電力系統繼電保護、電力系統穩定預測與緊急控制等。

張月文（1976—），女，工程師，主要從事電力通信運行及管理工作。

張道農（1961—），男，教授級高級工程師，主要從事繼電保護及安全自動裝置的設計與研究以及大型工程項目的項目管理工作。

張建華（1952—），男，教授，博士生導師，國家“973”計劃能源領域咨詢組專家。