斷路器故障運行對系統暫態穩定的影響及其應對措施

摘 要：現階段，社會的高速運轉使得各行各業對電能的穩定供應要求越來越高，停電引發的后果和社會輿論會造成極其嚴重的影響，因此時刻保持電力系統的穩定運行成為供電企業面臨的嚴峻挑戰之一。鑒于此，從檢修專業的視角出發總結了運檢一體化的意義，定量剖析了斷路器故障運行對電力系統暫態、穩態、潮流斷面、導體元件溫升等方面的影響，并提出了相應的改進措施。

關鍵詞：斷路器；故障運行；電力系統暫態；應對措施

中圖分類號：TM561" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）18-0075-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.18.019

0" " 引言

隨著我國經濟體量的快速增長，社會各領域的用電需求不斷提升，電力的可靠供應已經成為經濟發展的頭等大事。供電企業必須切實落實保供電要求，持續保障電力系統這張大網持續、穩定、高效運轉。但堅強電網可靠運行的關鍵不僅僅在于投產前的規劃設計、一次設備的投資、調控的經濟運行，更為重要的在于針對當前服役運行的設備按照“一切事故可以預防”的理念，加強運維，盡早提前發現設備缺陷并及時處理。例如，變電站斷路器運行到一定的年限之后，或多或少都會出現問題，斷路器故障運行的頻繁發生直接影響的就是地區供電的可靠性。隨著運行檢修專業一體化的推進，本專業檢修人員僅僅局限于故障斷路器退出運行之后再分析問題往往難以滿足現階段的電力生產要求，從風險辨識的角度，檢修人員應隨時保持N-1的思維方式，分階段理解斷路器故障運行對整個電網的影響，尤其是在繼電保護專業方面，本級斷路器誤動或拒動導致越級跳閘時對電力系統暫態、穩態、潮流斷面、導體元件溫升等方面的影響，或者是故障運行的斷路器在退運之后對電力系統全局或單點動穩定與熱穩定的影響。現有文獻大多是從檢修專業的視角出發，總結斷路器故障類型與斷路器的檢修要點，鮮有文獻從原理剖析斷路器故障運行對系統暫態穩定的影響，并提出對應的解決措施。本文先系統性介紹擴展等面積法則，以便數據化衡量斷路器故障運行對系統暫態穩定性的影響，再結合筆者多年的檢修工作經驗提出改進措施。

1" " 斷路器故障運行的影響

1.1" " 研究背景及其意義

中國南方電網建設的大功率電網是世界上為數不多的跨區域和遠距離傳輸大功率電網之一，其超高壓直流技術更是世界領先。交直流混合輸電系統的互聯在帶來巨大經濟效益的同時，其失去同步穩定的可能性也在增大。任何元件的故障都有可能引起事故范圍擴大，使得電力系統陷入癱瘓的狀態，比如2003年8月14日美加大停電事件、同年9月23日瑞典大面積停電事故。因此，為了有效避免此類事件的發生，尋求合適的數學方法與評估手段，研究斷路器故障運行后電力系統能否順利渡過擾動帶來的影響而達到新的平衡穩定有著重要意義。根據GB 38755—2019《電力系統安全穩定導則》中的定義，電力系統的穩定性可以分為表1中幾類。

雖然大系統之間有各種有效的安全穩定控制裝置和應對突發狀況的措施，但就電網突發的局部故障而言，變電站斷路器故障運行是最為常見的電網薄弱環節，變電站斷路器是檢修次數最多的元件。由于現階段電力系統對各級電力生產人員提出了更高的要求，現行的電力系統穩定性分析和控制趨于復雜，很有必要加強對電力系統穩定性的研究與理解，因此本文僅選取電力系統暫態穩定進行研究。

1.2" " 電力系統暫態擴展等面積法則理論研究

電力系統暫態穩定性衡量的是電力系統中某個元件發生故障或整個系統受到內外部大的干擾后，能否依靠自身的調控裝置或者其他措施達到新的穩定運行狀態。假如電力系統中所有發電機組在經歷暫態過程后仍然保持同步運行，那么這個系統就是暫態穩定的。假如電力系統中所有發電機組在經歷暫態過程后相互之間存在較大的相對轉速或者系統直接發生低頻振蕩，那么這個電力系統暫態不穩定，可能導致系統的解列或瓦解，從而引發大面積的停電事故。

根據表1中穩定分析的數學原理，時域仿真采用逐步積分法迭代微分方程，主要依賴于模型的準確性，其規模過大，計算時間過長，只適用于實驗室建模分析和離線計算，尚不適應安全分析和控制，目前主要在BPA程序和PSASP分析綜合程序。李雅普諾夫直接法又只能面向自治系統的原理解釋，而實際運行的電力系統本質上是非自治非線性的，目前該方法都沒有嚴格的李雅普諾夫能量函數。等面積法則恰好適應在有窮元件的模型應用，在經典單機和多機電力系統中都得到了良好的運用。

本文采用經典的二階模型[1]，著重分析斷路器先故障運行后切除某回高壓輸電線路后的系統，構建如圖1所示的電力等值系統，假設發電機內電勢相量為E∠δ，頻率偏差為ω，負荷側為U∠0°，等值電抗為X∑，發電機慣性時間常數為M，電磁功率為Pe，機械功率為Pm，其數學模型為：

假設線路Ⅱ中某種類型的故障發生后開始對系統計時，在tc時刻故障被切除，系統在故障前中后對應的功率特性曲線如圖1中PⅠ、PⅡ、PⅢ所示。且故障前穩態發電機轉子角為δ0，系統穩定平衡點發電機轉子角為δS，故障切除瞬間發電機轉子角為δc，系統失穩不平衡點發電機轉子極限角為δu。

電力系統的安自裝置和繼電保護元件切除故障后，系統中發電機的電磁功率可以表示為Pe=PMsin δ，PM是功率特性曲線PⅢ的最大值。代入式（1），可得：

然后對式（2）的兩端進行分部積分，經過一系列運算和合并整理，本文可以得到關于相平面上任一定點（δa，ωa）的軌跡方程：

如圖2所示，假若故障發生后，系統的轉子運動相圖剛好處于封閉的軌跡上，計及系統阻尼的影響，系統趨于穩定。如果位于某個開軌跡上，縱使故障被及時切除，發電機與系統間將失去同步。

實際上，由于軌跡方程的第一項具備暫態動能的基礎雛形，按照拓展等面積法則，系統的加速暫態能量SA可以表示為：

系統的減速暫態能量SB可以表示為：

因此，判別故障切除之后系統是否能達到新的暫態平衡點，可以由系統暫態能量的比較直接得出。若系統的加速暫態能量SA大于系統的減速暫態能量SB，暫態運行中系統會越過極限切除角而使得系統失去穩定；若系統的加速暫態能量SA剛好等于系統的減速暫態能量SB，暫態運行中系統達到臨界穩定；若系統的加速暫態能量SA小于系統的減速暫態能量SB，暫態運行中系統總是在穩定狀態。可以推得極限切除角的余弦值cos δcm為：

如果線路裝有重合閘裝置，斷路器故障運行之后會跳開本級線路，瞬時故障會重合成功再次達到穩態運行，永久故障會再次跳開本級線路故障的斷路器。重合閘的動作時間和充電時間會導致切除故障的時間延長，因此得到重要結論：系統想保持一直在極限切除角前運行，快速切除故障是保障暫態穩定的有效措施。要想達到這個條件，除了保障元件本身工藝水平優秀之外，運維水平和檢修保持設備的高效運轉也是關鍵因素之一[2]。

2" " 斷路器故障運行的應對措施

變電站斷路器故障運行的原因大體可以分為兩類，第一類是雷擊、雨滴、受潮、鳥糞等外部原因，第二類是拒合故障、拒跳故障等與斷路器自身機械結構或者電氣回路相關的原因。由于第一類故障的發生有一定的偶然性，這里不再贅述，本文著重分析第二類故障[3]。

拒合故障，指的是斷路器在就地及遠程控制方式下發生拒絕合閘的故障現象。檢修人員在對此情況進行分析時，最根本的做法在于判斷出是電氣回路故障還是機械故障，可以采用以下方法：1）檢查斷路器的內部線路是否存在絕緣破損、斷線、受潮、漏電等現象；2）檢查斷路器的控制電源是否正常運行；3）檢查控制開關與隔離開關，以便排除操作不當引起的拒合；4）檢查傳動結構是否有合閘線圈損壞、斷路器內部卡滯等；5）檢查合閘鐵芯是否動作或者將控制開關置“0”位。總體來講，對于檢修工作而言，判斷拒合故障的步驟如下：先確定斷路器拒絕合閘的原因，然后結合斷路器的類型采用合適的方法對電氣回路、油壓、氣壓進行檢查。

拒跳故障，指的是斷路器在保護裝置發出跳閘指令時拒絕跳閘的現象。這類事故危害極大，盡管上級電源的后備保護可以切除大范圍故障，但仍會造成事故范圍的擴大，延長故障排除的時間，嚴重干擾電力調度人員進行事故處理和快速復電，甚至會導致電力系統崩潰。拒跳故障可分為操作回路電氣故障和操作機構機械故障，在判別時可以采用以下方法：1）檢查故障斷路器指示燈光的情況，假如紅燈處于常滅狀態，則證明跳閘回路電氣故障；2）檢查故障斷路器輔助觸點有無接觸不良問題；3）檢查操作電源是否正常，跳閘鐵芯動作是否異常；4）定期開展跳閘回路維護試驗，對多年未動作的開關聯合調度部門開展不停電傳動試驗，在二次側給予跳閘的故障信號，檢測斷路器是否正常跳閘。

3" " 結束語

斷路器作為電能生產傳輸中不可或缺的設備之一，其作用主要是對線路進行控制和在故障時可以正確動作，從而保障電網的穩定運行。因此，本文著重分析了斷路器故障運行對電力系統暫態穩定的影響，剖析了保障暫態穩定的關鍵措施，結合檢修專業的知識，減少斷路器故障運行的概率，從而保障電力系統運行狀態的穩定性。

[參考文獻]

[1] 劉笙，汪靜.電力系統暫態穩定的能量函數分析[M].上海：上海交通大學出版社，2010.

[2] 殷明慧，鄒云.電力系統結構保持模型相關不穩定平衡點方法的理論分析[J].中國電機工程學報，2003，23（8）：32-37.

[3] 譚風雷，陳昊，張海華，等.基于機械和電氣特性融合的高壓斷路器故障診斷方法[J].東北電力技術，2022，43（7）：26-31.

收稿日期：2023-05-22

作者簡介：陳嘉健（1991—），男，廣東江門人，工程師，研究方向：變電檢修。