500 kV 變電站串內合環(huán)電流分析

杜敩， 陳昊， 任旭超， 劉永

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

0 引言

隨著我國輸變電建設的推進, 500 kV 電網(wǎng)逐漸成為省級電網(wǎng)的主干網(wǎng)絡[1-4]。 500 kV 變電站是500 kV 電網(wǎng)的重要組成部分, 變電站運維工作對于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行具有重要的意義[5-7]。 變電站運維人員可通過測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斷路器下達合閘指令, 完成電力系統(tǒng)的合閘或并列操作, 無需依靠人工核對表計進行合閘或并列操作[8-11]。 在正常運行方式下, 500 kV 母線處于并列運行狀態(tài), 兩條母線頻率、 電壓幅值、 相位等很接近, 此時可利用中斷路器直接進行串內合環(huán)操作, 合環(huán)時中斷路器的電流很小, 不會對電網(wǎng)設備和電力系統(tǒng)運行產生沖擊和影響。

由于直流變電站對電網(wǎng)影響趨強, 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配合)。 在此背景下, 部分間隔在檢修狀態(tài), 而在運行的完整串的線路事故跳閘后不自動重合中斷路器, 如多條線路出現(xiàn)單跳單重, 兩條500 kV 母線存在短時分列運行的概率, 此時兩條母線間的電壓幅值、 相位和頻率存在一定差異。 當差值較大時利用中斷路器進行串內合環(huán), 可能會產生較大的沖擊電流, 沖擊電流會嚴重影響電網(wǎng)設備和電力系統(tǒng)的正常運行[12-13]。 針對此問題, 應結合變電站具體拓撲和日常運行情況, 提前做好事故預想。

事故預想分析是變電站運維工作中的一個重要組成部分, 結合已有事故案例分析, 進行事故預想分析能夠有效提高電力系統(tǒng)安全運行水平, 加強對運維人員事故預想的反事故演習能夠在突發(fā)事件下實現(xiàn)有效應對, 有助于實現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行[14-17]。 本文對此種故障下的串內合環(huán)操作進行事故預想, 研究500 kV 母線因故障分列運行時,利用中斷路器進行串內合環(huán), 兩條母線間的電壓幅值、 相位對中斷路器合環(huán)電流的影響, 通過建模仿真計算合環(huán)電流的大小, 判斷是否會對設備和電網(wǎng)運行產生不利影響, 為運維人員在突發(fā)狀況時的故障處理和操作提供有效的建議。

1 事故預想下的運行方式介紹

正常情況下, 500 kV 母線處于并列運行狀態(tài)。假設發(fā)生某種故障, 中斷路器跳閘使兩條母線分列運行, 此時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荷, 如圖1 所示。

圖1 事故預想下的運行工況

故障后兩條出線負荷分別通過邊開關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。 對此故障后的運行方式進行事故預想。 由于故障后兩條500 kV 母線處于分列運行狀態(tài), 其電壓幅值、 相位等可能不滿足并列時的相關條件, 運維人員需要仔細檢查兩條母線的電壓、 相位等信息, 本文將研究當前運行方式下能否進行串內合環(huán), 以及此時合環(huán)電流的大小是否會對設備和電網(wǎng)運行產生不利影響。

2 事故預想下中斷路器合環(huán)仿真分析

電力系統(tǒng)并列條件包括并列開關兩側的電壓幅值、 相位相等以及并列開關兩側電源的頻率相同。在事故預想的變電站母線運行方式下進行中斷路器串內合環(huán)時, 主要是關注串內合環(huán)時能否滿足電力系統(tǒng)并列條件, 如果不滿足, 則可能產生沖擊電流, 而較大的沖擊電流則會對電網(wǎng)設備造成沖擊,影響電力系統(tǒng)的正常運行, 嚴重時會造成故障跳閘。 由于是在同一變電站中進行研究, 假定兩條母線在同一系統(tǒng)內, 母線間頻率差可以忽略不計, 即認為兩條母線頻率一致。 本文在PSCAD 仿真平臺上建模仿真, 在頻率相同的基礎上分別研究電壓幅值、 相位以及出線負荷等因素對中斷路器合閘并列的影響, 計算事故預想運行方式下不同并列條件的合環(huán)電流, 分析是否會對設備和電網(wǎng)運行產生不利影響。

2.1 不同出線負荷對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,其線路末端負荷分別為負荷1 和負荷2, 假設兩條母線電壓幅值、 相位和頻率都相同, 改變兩條出線的負荷來研究負荷不同對中斷路器合環(huán)電流的影響。 將Ⅰ母和Ⅱ母的電壓幅值均設為525 2 kV,電壓相位均為0°, 頻率均為50 Hz。 假設中斷路器電流正方向為母線Ⅱ流向母線Ⅰ, 不同負荷情況下進行合閘時的合環(huán)電流見表1。

表1 不同負荷情況下的中斷路器合環(huán)電流有效值最大值(一次側)

以工況4 負荷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 時進行合閘, 由于合閘前中斷路器兩側電壓幅值、 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 負荷2 功率360 MW、 50 Mvar, 負荷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 時進行合閘, 其一次側電流波形(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上疊加有直流分量, 且直流分量隨時間在不斷衰減。 不同保護裝置廠家對此電流有不同的計算方法, 本文采用正弦波有效值和直流分量有效值疊加的方法進行計算。

對不同工況下的中斷路器合環(huán)電流進行計算和分析, 可以發(fā)現(xiàn), 當母線電壓幅值、 相位、 頻率一致時, 出線負荷相差越大則中斷路器合閘并列時的合環(huán)電流越大, 電流方向為輕負荷側流向重負荷側； 當兩條出線負荷相差過大時, 其合環(huán)電流較大, 對設備和電網(wǎng)運行造成沖擊, 產生不利影響。

2.2 母線電壓幅值差異對中斷路器合閘的影響

假設兩條母線電壓相位和頻率相同, 且兩條出線的負荷相同, 改變母線的電壓幅值來研究幅值不同對中斷路器合環(huán)電流的影響。 將Ⅰ母和Ⅱ母的電壓相位均設為0°, 頻率均為50 Hz, 兩條出線的負荷均為150 MW 和25 Mvar。 假定中斷路器電流正方向為母線Ⅱ流向母線Ⅰ, 不同電壓幅值情況下進行合閘時的中斷路器合環(huán)電流見表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)

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 時進行合閘, 其一次側電流波形(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 時進行合閘, 其一次側電流波形(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, 當母線電壓相位、 頻率和出線負荷一致時, 母線電壓幅值相差越大, 則中斷路器合閘并列時的電流越大, 電流方向由高電壓母線流向低電壓母線； 當兩條母線電壓幅值相差過大時, 中斷路器合環(huán)電流較大, 對設備和電網(wǎng)運行造成沖擊, 產生不利影響。

2.3 不同母線電壓相位對中斷路器合閘的影響

假設兩條母線電壓幅值和頻率相同, 且兩條出線的負荷相同, 改變母線的電壓相位來研究相位不同對中斷路器合環(huán)電流的影響。 將母線Ⅰ和母線Ⅱ的電壓幅值均設為525 2 kV, 頻率均為50 Hz, 兩條出線的負荷均為150 MW 和25 Mvar。 假定中斷路器電流正方向為Ⅱ母流向Ⅰ母, 不同電壓相位情況下進行合閘時的中斷路器電流見表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 時進行合閘, 其一次側電流波形(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)

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 時進行合閘, 其一次側電流波形( A相) 如圖10、 11 所示。

結合工況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, 當母線電壓幅值、 頻率和出線負荷一致時, 母線電壓相位相差越大則中斷路器合閘并列時的電流越大, 電流方向由高壓母線流向低壓母線； 當兩條母線電壓相位相差過大時,中斷路器合環(huán)電流較大, 對設備和電網(wǎng)運行造成沖擊, 產生不利影響。

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、 相位以及出線負荷對中斷路器合閘的綜合影響

仍考慮事故預想的電力系統(tǒng)運行方式下, 綜合分析母線電壓、 相位以及出線負荷對中斷路器合閘并列的影響。 現(xiàn)將母線電壓、 相位以及出線負荷三個因素綜合考慮, 研究在事故預想運行方式且電網(wǎng)運行較惡劣情況下對中斷路器合環(huán)電流的影響, 判斷是否會對設備和電網(wǎng)運行產生不利影響。 此時仍假定中斷路器電流正方向為母線Ⅱ流向母線Ⅰ, 其中兩條母線頻率均為50 Hz, 不同電壓幅值、 相位和負荷情況下進行合閘時的中斷路器電流見表4。綜合電壓幅值、 相位和出線負荷等因素考慮, 從表4 的結果中可以看出, 在事故預想的電力系統(tǒng)運行方式下利用中斷路器進行合閘并列時, 當兩條母線電壓幅值、 相位和兩條出線負荷均處于不利條件且相差較大時, 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 負荷大于出線2 負荷。 此時中斷路器的電流有效值將會迅速增大, 從工況19 中的412. 4 A 增至工況20 中858. 8 A, 合環(huán)時的沖擊電流較大, 很有可能對設備和電網(wǎng)運行造成沖擊, 產生不利影響。 因此, 在利用中斷路器合閘將兩條母線并列操作時應盡可能注意當時的運行條件, 盡可能避免在母線電壓幅值、 相位和出線負荷相差過大時進行合閘。

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

3 結語

本文針對500 kV 變電站某種故障下的運行方式進行事故預想分析, 研究此種情況下利用中斷路器進行兩條母線的合環(huán)并列操作時, 母線電壓、 幅值和出線負荷等因素對中斷路器合環(huán)電流的影響。研究結果表明, 當母線電壓、 幅值和出線負荷這些因素均處于不利條件且相差較大時, 合環(huán)時的沖擊電流較大, 很有可能對設備和電網(wǎng)運行造成沖擊,產生不利影響。 因此建議運維人員遇到類似情況時, 應重點關注母線的電壓、 相位, 并且采取相關措施盡可能使母線電壓幅值、 相位一致, 在出線負荷相差不大的情況下進行合閘并列操作。