高壓線路故障產生電壓暫降的特性及對敏感負荷設備的影響

江宇，夏勇，張斌，馮垚，冉江虹

(重慶市電力公司 江津供電局，重慶 江津 402260)

0 引言

在輸電線路發(fā)生故障時會對系統(tǒng)運行電壓產生影響，故障切除后系統(tǒng)電壓恢復正常，即使是瞬間故障的情況下，非故障線路也會影響而產生短暫的低電壓，電壓降低的幅值和時間會因故障類型不同有所區(qū)別，電壓有效值快速下降到額定值的90%～10%，持續(xù)時間為10 ms～1 min國際電工學界定義這一現(xiàn)象為電壓暫降[1－3](voltage sag)。電能質量關系到用電設備的平穩(wěn)高效運行，地區(qū)電網在運行中供電可靠性和供電質量是供電部門工作中的重點，但暫態(tài)電壓質量常常影響電網中的敏感設備運行，電網運行中出現(xiàn)在電壓暫降這一客觀問題，一直難以解決[4－6]。目前學術界主要從理論層面對電壓暫降的指標[7]、檢測識別[8]、暫降源的定位方法[9]做了大量研究。

隨著地區(qū)電網快速發(fā)展，220kV線路已成為地區(qū)電網的主要輸電線路，220kV輸電線路發(fā)生故障時電壓暫降凹陷域大，影響范圍廣，具有典型意義。220kV輸電線路故障中單相故障占到絕大部分，本文以江津電網為調查對象，通過對220kV輸電線路的保護配備，繼電保護動作情況，線路故障情況的統(tǒng)計分析，找出220kV輸電線路故障時產生電壓暫降的特性，提出從電網運行側消除電壓暫降的難點。

通過調查地區(qū)電網中電壓暫降對敏感負荷的受影響程度，并且結合當前的技術手段，提出從負荷側降低電壓暫降影響的措施。

1 220kV線路故障產生電壓暫降的時間特性及

220kV及以上電網的所有運行設備都有兩套交、直流輸入、輸出回路相互獨立，并分別控制不同斷路器的繼電保護裝置進行保護。當任一套繼電保護裝置或任一組斷路器拒絕動作時，能由另一套繼電保護裝置操作另一個斷路器切除故障。在所有情況下，這兩套繼電保護裝置和斷路器所取的直流電源都經由不同的熔斷器供電。

為滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求，220kV輸電線路一般配兩套全線速動保護(縱聯(lián)保護)作為主保護，利用通信通道將雙端測量的電氣量傳送到對側，根據特定的關系判定區(qū)內或者區(qū)外故障，達到瞬時切除全線故障的目的?？v聯(lián)保護不反應被保護線路以外的故障，可以保護線路全長，不受系統(tǒng)振蕩影響，不用與相鄰線路相配合，能反應各種類型的短路故障，靈敏度高能瞬時切除故障。

220kV線路采用的LFP、RCS、CSC成套保護裝置，縱差保護距離Ⅰ段，零序Ⅰ段均為瞬時跳閘(0 s)，但經過微機保護從交流采樣輸入，邏輯判斷，保護啟動至出口，斷路器分閘這一過程，在全線速動保護(光纖縱差、相差高頻、方向高頻)中實際的故障切除時間tsag為:

tp為保護裝置固有動作時間，tp由以下幾個時間組成:數(shù)據采集時間、信息比較時間、邏輯判斷時間、信息傳輸時間和出口繼電器動作時間。對于近端故障，階段式距離保護可以直接動作(無需通道傳輸信息)，由于在線路保護裝置中普遍增加了工頻變化量距離元件，在近端側約20%的范圍內發(fā)生故障，保護動作時間最短可在10 ms內。從保護設備的技術說明上標注保護裝置固有動作時間tp＜50 ms。

ts為斷路器固有分閘時間，實際試驗測量中ts為24～27 ms之間，一般 ts＜30 ms。

通過對故障切除時間的構成分析，當保護裝置在正確動作時，在最不利的故障切除情況下，故障切除時限tsag＜80 ms。

對地區(qū)電網中最近兩年220kV線路故障跳閘的情況分析，根據表1的統(tǒng)計可以看出220kV輸電線路由于電壓等級高，相間距離大，故障類型中單接地故障最多，故障切除時間短。輸電線路故障時保護出口時間多在10 mS左右，保護裝置上記錄的這個時間不包括出口繼電器的動作時間。

表1 220kV輸電線路故障情況統(tǒng)計表

從情況統(tǒng)計來看故障切除時間多為40 ms～70 ms之間。根據故障錄波裝置記錄的220kV黃雙北線跳閘的故障錄波圖可以清晰看出，故障相產生約3個周波的電壓暫降，具體如圖1所示。

繼電保護裝置由感應、電磁式發(fā)展到集成、微機式，繼電保護的四性已有明顯的提升，保護裝置的固有動作時間已明顯縮短，輸電線路發(fā)生故障時能夠快速將故障線路切除，已能滿足電網運行的穩(wěn)定性要求。電壓暫降的定義為供電電壓有效值快速下降到額定值的90% ～10%，持續(xù)時間為10 ms～1 min，如果要進一步提高故障切除時間到10 ms以內，就需要大幅度提高保護裝置的固有動作時間和斷路器的固有分閘時間，這是從電網運行消除電壓暫降的困難之一。

220kV輸電線路多為架空導線架設于戶外，線路總會因各種原因造成故障跳閘，如雷擊、覆冰等災害性天氣，外力破壞，節(jié)日期間放飛的孔明燈、風箏都可能對電網運行造成威脅，這些因素又成為從電網運行側消除電壓暫降的困難之一。

2 220kV線路故障產生電壓暫降的電壓特性及敏感負荷影響分析

在圖1中可以清晰的看出220kV輸電線路故障后，會產生較大電壓降幅，通過分析故障錄波數(shù)據可以得出220kV線路故障后產生的最低故障電壓，在調度運行部門通過對主要用戶的調查，對負荷曲線的查閱可以統(tǒng)計得出單次電壓暫降對供區(qū)內敏感負荷的影響程度，通過對江津地區(qū)電網220kV線路故障后統(tǒng)計得出表2中數(shù)據。

圖1 220kV輸電線路故障錄波圖

圖2 relayCAC仿真輸變電線路故障的模型

表2 電壓暫降最低故障電壓和負荷損失

為驗證220kV輸電線路故障產生的電壓暫降電壓跌幅，采用如圖2中的仿真模型，以220kV黃雙北線實際的故障距離、故障相別來驗算，220kV線路在系統(tǒng)大方式下，220kV黃雙北線在出線38%的地方產生A相短路接地后，驗算得出了各電壓等級母線的最低電壓，如表3、表4。驗算結果和故障錄波數(shù)據一致。并且通過仿真結果可以看到受電壓暫降影響，由該220kV變電站供電的110kV，10kV母線電壓均有明顯的下降。

表3 故障點電壓/電流

表4 發(fā)生故障瞬間各母線電壓

隨著科技和經濟的發(fā)展，負荷性質已悄然改變，如可調速電機，可編程控制器，交流接觸器對電壓質量的要求極高，超過10 ms，0.9 PU的電壓就會停止工作[10]，電網中接入的這一類負荷稱為敏感負荷。另一方面隨著電網建設的加快工業(yè)園區(qū)的興建使，負荷與負荷之間的聯(lián)系越來越緊密，某一條線路的故障都會影響到同一系統(tǒng)中其它負荷的運行。在調度運行中經常發(fā)生因220kV線路故障跳閘，導致與該故障線路連接兩個220kV變電站負荷損失的情況，這些損失負荷有220kV變電站所供電的110kV，35kV，10kV電壓等級的負荷，220kV線路作為主要的輸電線路，發(fā)生故障時產生的電壓暫降會形成一個瞬時低電壓的凹陷域，這一瞬時低電壓的凹陷域較配電網線路故障產生的凹陷域大，影響的敏感設備更多[11]。

根據圖3最低故障電壓與持續(xù)時間分布及表2電壓暫降最低故障電壓和負荷損失統(tǒng)計分析，可以看出產生電壓暫降的平均時間為45 ms左右，平均最低故障電壓0.5 PU。

(1)最低故障電壓高于0.9 PU以上時對電網負荷無明顯影響。

(2)最低故障電壓在0.9 PU至0.6 PU之間時電網負荷對電壓暫降的幅值更敏感。

(3)最低故障電壓低于0.6 PU時，電網負荷對電壓暫降的持續(xù)的時間更敏感。

圖3 最低故障電壓與持續(xù)時間分布

3 應對電壓暫降的措施

電壓暫降是電網運行中難以避免的電能質量問題，供電部門已從電網側采取了減少電壓暫降次數(shù)的措施，包括一些常見的方法如全線裝設架空地線，安裝可控避雷針提高線路的耐雷水平，定期巡線砍伐超高樹竹，架設絕緣導線，架空線入地等。電網運行中不斷加大線路維護力度，減少線路故障的發(fā)生，不斷提高輸變電設備防雷水平，減少自然災害對輸變設備的破壞，并且合理安排運行方式，盡量減小線路故障時對系統(tǒng)的影響。

對改造困難的設備來說可以通過在高敏感負荷設備裝設UPS或者恒壓調壓器，對大功率負荷可采用動態(tài)電壓恢復器(DVR)補償電壓暫降。DVR主要用于可靠性和質量要求很高的用戶，當電源電壓發(fā)生變化時(無論是升高、降低或波形畸變)，在幾毫秒中可將畸變波形補償正常[12]。DVR是串聯(lián)在線路上的，DVR通過串聯(lián)在饋線上以電壓疊加的方式注入配電系統(tǒng)，對系統(tǒng)側及負荷側無不利影響。

4 結束語

工業(yè)園區(qū)的大工業(yè)負荷密集，大量精密生產設備對電壓質量的要求苛刻。電網的發(fā)展使得負荷與負荷之間的聯(lián)系越來越緊密，雖然人們?yōu)闇p少電壓暫降的產生已做出大量努力，但電網運行中受氣象災害、外力破壞造成的輸電線路跳閘難以避免，繼電保護的發(fā)展能將故障設備在瞬時切除，提高了電網運行穩(wěn)定性，當前故障切除時間不能滿足消除電壓暫降的要求，盡可能的縮短斷路器在故障情況下的分閘時間，縮短保護的出口時間，能夠緩解電壓暫降對敏感負荷的影響。改進敏感負荷對瞬時低電壓的耐受能力，在負荷側增加輔助設備，是減少電壓暫降的影響有效措施。

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