交流特高壓同桿并架線路上使用自適應(yīng)重合閘應(yīng)用價值分析研究

華北電力大學(xué) 彭 華 羅克宇

國家廣播電影電視總局 張月文

華北電力設(shè)計院工程有限公司 張道農(nóng)

華北電力大學(xué) 張建華

交流特高壓同桿并架線路上使用自適應(yīng)重合閘應(yīng)用價值分析研究

華北電力大學(xué) 彭 華 羅克宇

國家廣播電影電視總局 張月文

華北電力設(shè)計院工程有限公司 張道農(nóng)

華北電力大學(xué) 張建華

本文以即將建設(shè)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(yīng)重合閘方案進(jìn)行不同的故障分析，以期了解其在工程中的應(yīng)用價值，研究其是否能保證和提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平。

交流特高壓線路；潛供電流；單相自適應(yīng)重合閘

1.引言

從我國近些年輸電線路故障運(yùn)行記錄的統(tǒng)計結(jié)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(tǒng)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(yùn)行，從而盡快恢復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行狀態(tài)。但目前的重合閘技術(shù)存在2個主要問題：

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

2)不能判別故障點(diǎn)是否已經(jīng)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(diǎn)尚未熄弧而重合不成功。

自適應(yīng)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(tǒng)和機(jī)組的危害，充分發(fā)揮快速自動重合閘的作用[2-3]。近年來，單相自適應(yīng)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(chǔ)。單相自適應(yīng)重合閘的核心內(nèi)容是故障性質(zhì)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(fù)電壓的方法。文獻(xiàn)[5-6]給出了永久性故障判別的修正電壓判據(jù)；文獻(xiàn)[7-8]在故障性質(zhì)的判別方法上引入了人工智能，但應(yīng)用相對復(fù)雜。

2)基于故障電弧特性的方法[9-11]。該方法難以確定判據(jù)使用的時間，且必須在較短時間內(nèi)連續(xù)采樣，計算各次諧波，計算復(fù)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(lián)電抗器的輸電線路，由于恢復(fù)電壓低，不便于檢測，文獻(xiàn)[13]提出利用并聯(lián)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(xiàn)對于如何實現(xiàn)自適應(yīng)重合閘技術(shù)進(jìn)行了研究，但均沒有從工程實際情況出發(fā)來考慮這項技術(shù)對于工程建設(shè)以及生產(chǎn)運(yùn)行所帶來的影響。而對于目前正在建設(shè)的特高壓交流輸電線路來說，由于交流特高壓網(wǎng)架比較薄弱，承載著區(qū)域間互聯(lián)的作用，傳輸?shù)墓β时容^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(qū)電網(wǎng)潮流嚴(yán)重的不足，給整個系統(tǒng)的運(yùn)行帶來不利的影響，因此對于交流特高壓建設(shè)初期，更需要采取新的技術(shù)來保證和提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平。

本文就此問題以規(guī)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(yīng)重合閘方案進(jìn)行不同故障條件下的對比，以期了解其在工程中的應(yīng)用價值，研究其是否能保證和提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平。

2.電氣計算基礎(chǔ)條件

1)計算水平年

本文所研究工程規(guī)劃2015年左右投產(chǎn)，因此選取2015年作為計算水平年。

2)計算負(fù)荷和裝機(jī)

在潮流穩(wěn)定計算中，以推薦的負(fù)荷和裝機(jī)方案為基礎(chǔ)，扣除部分接入220kV及以下電網(wǎng)的小機(jī)組和相應(yīng)的負(fù)荷作為計算負(fù)荷和裝機(jī)。

3)設(shè)計水平年的網(wǎng)架基礎(chǔ)

以國家電網(wǎng)總體規(guī)劃設(shè)計為指導(dǎo)，參照區(qū)域及省域電網(wǎng)公司“十二五”電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃相關(guān)研究成果。

4)發(fā)電機(jī)、負(fù)荷模型

發(fā)電機(jī)模型采用帶阻尼繞組的次暫態(tài)電勢的Ed”，Eq”模型，計及原動機(jī)、調(diào)速器及PSS的作用。

負(fù)荷模型為華中、華東電網(wǎng)和除山東電網(wǎng)外的華北電網(wǎng)均為40%恒阻抗，60%恒功率模型；山東電網(wǎng)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(hù)誤跳另一回線路

同桿架設(shè)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(cè)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(cè)單相跳、1.0秒重合閘失敗、1.1秒兩側(cè)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(hù)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(cè)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(cè)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(jī)時間：0.3s。

6)穩(wěn)定判據(jù)

根據(jù)《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》(DL755-2001)、《電力系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》(SDJ131-84)、《電力系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》(SDJ161-85)、《電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定計算暫行規(guī)定》(87電生供字第205號)等規(guī)程規(guī)定，電力系統(tǒng)穩(wěn)定包括功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定三個方面。程序計算中，若三者都穩(wěn)時，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的；若有一個不能穩(wěn)定，則判定系統(tǒng)失穩(wěn)。

◆功角穩(wěn)定

●暫態(tài)穩(wěn)定

暫態(tài)穩(wěn)定的判據(jù)是電網(wǎng)遭受每一次大擾動后，引起電力系統(tǒng)各機(jī)組之間功角相對增大，在經(jīng)過第一或第二個振蕩周期不失步，作同步的衰減振蕩，系統(tǒng)中樞點(diǎn)電壓逐漸恢復(fù)。

●動態(tài)穩(wěn)定

動態(tài)穩(wěn)定指電力系統(tǒng)受到擾動后，在自動調(diào)節(jié)和控制裝置的作用下，保持長過程的運(yùn)行穩(wěn)定性。

在計算過程中，如發(fā)生等幅或增幅振蕩，則判定為動態(tài)不穩(wěn)定；若系統(tǒng)在動態(tài)搖擺過程中發(fā)電機(jī)相對功角和輸電線路功率呈衰減振蕩狀態(tài)，電壓和頻率能恢復(fù)到允許的范圍內(nèi)，則認(rèn)為是動態(tài)穩(wěn)定的。

◆電壓穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)大量工程分析的經(jīng)驗，電壓穩(wěn)定判別采用如下標(biāo)準(zhǔn)：

樞紐母線電壓低于0.75pu持續(xù)時間0.8秒以內(nèi)：穩(wěn)定；

樞紐母線電壓低于0.75pu持續(xù)時間0.8～1.0秒范圍內(nèi)：臨界；

樞紐母線電壓低于0.75pu持續(xù)時間1.0秒以上：不穩(wěn)定。

◆頻率穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)

在采取切機(jī)、切負(fù)荷措施后，不發(fā)生系統(tǒng)頻率崩潰，且能夠恢復(fù)到正常范圍及不影響大機(jī)組的正常運(yùn)行。

在上述三個方面均能滿足的情況下，則認(rèn)為系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

7)研究所用工具

本文采用中國電力科學(xué)研究院系統(tǒng)所PSD電力系統(tǒng)軟件工具進(jìn)行計算分析。

3.潮流計算

本文研究的目標(biāo)網(wǎng)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(fù)荷中心。

根據(jù)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(nèi)，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(biāo)網(wǎng)架正常方式潮流圖

4.仿真結(jié)果與分析

1）暫態(tài)穩(wěn)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(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

●計算故障方式列表（如表3-1）所示

●計算結(jié)果及采取穩(wěn)控措施列表（如表3-2）所示

●穩(wěn)定曲線圖（如圖3-1～圖3-8）

2）計算結(jié)果分析

經(jīng)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(tǒng)的運(yùn)行方式兩回線分別采用單向重合閘方式時，當(dāng)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(fù)荷，因此當(dāng)蒙西～晉中線路雙掉后，線路潮流無法轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致連接到蒙西變周圍的全部蒙西電廠發(fā)電機(jī)順序失步，系統(tǒng)同一時間失去較大電源后導(dǎo)致系統(tǒng)電壓頻率波動很大，對系統(tǒng)影響較大，同時蒙西地區(qū)大量電力無法送出。

表3-1 故障方式列表

表3-2 計算結(jié)果及采取穩(wěn)控措施列表

在表3-3中方式二、四的計算中，當(dāng)蒙西～晉中雙回線采用自適應(yīng)重合閘方式按相重合閘運(yùn)行方式時，當(dāng)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(dāng)于線路N-1故障，系統(tǒng)能保持穩(wěn)定，仍然能夠保證蒙西地區(qū)的機(jī)組送出，對系統(tǒng)影響較小。

晉中～晉東南雙回線為負(fù)荷較重的大功率傳輸線路，傳輸功率較大，在特高壓電網(wǎng)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(tǒng)的運(yùn)行方式兩回線分別采用單相重合閘方式時，當(dāng)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(tǒng)有較大擾動，引起大量的潮流轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致系統(tǒng)嚴(yán)重失穩(wěn)，需要配置相應(yīng)的安全穩(wěn)定裝置快速切除周圍大量機(jī)組，才能保持系統(tǒng)穩(wěn)定，切機(jī)容量約3600MW，對系統(tǒng)安全穩(wěn)定影響較大。

在表3-3中方式六、八的計算中，當(dāng)晉中～晉東南雙回線采用自適應(yīng)重合閘方式按相重合閘運(yùn)行方式時，當(dāng)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(dāng)于線路N-1故障，對系統(tǒng)影響較小，不需采取任何措施就能保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，極大的提高了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，同時避免了大量快速切機(jī)對機(jī)組的破壞性損傷。

3）穩(wěn)定計算結(jié)論

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

-67-電廠因線路無法送出而引起的機(jī)組停機(jī)的時間，能較好的提高相關(guān)電廠的經(jīng)濟(jì)效益。

進(jìn)一步，在以上同桿并架線路發(fā)生多回線跨線故障，按照常規(guī)運(yùn)行方式，均采用單相重合閘，在發(fā)生多相故障時，保護(hù)直接三跳不重合，等于線路發(fā)生N-2故障，對系統(tǒng)有較大的擾動，需要切除靖邊、蒙西共機(jī)組5640MW左右機(jī)組才能保持系統(tǒng)穩(wěn)定。如果在該線路上能夠采用自適應(yīng)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(jī)；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(dāng)于系統(tǒng)N-1故障，也能極大地提供系統(tǒng)的穩(wěn)定，所以在1000kV特高壓同桿并架線路上使用自適應(yīng)重合閘有較大的應(yīng)用價值。

5.結(jié)論

綜合以上各節(jié)分析情況，我們可以得出以下結(jié)論：

同桿并架線路發(fā)生單相瞬時及永久性故障的可能性較高，因此采用自適應(yīng)重合閘的順序重合閘方式是可行的，其對系統(tǒng)暫穩(wěn)水平提高了很多，有較大的應(yīng)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。

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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(tǒng)繼電保護(hù)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定預(yù)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(tǒng)繼電保護(hù)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定預(yù)測與緊急控制等。

張月文（1976—），女，工程師，主要從事電力通信運(yùn)行及管理工作。

張道農(nóng)（1961—），男，教授級高級工程師，主要從事繼電保護(hù)及安全自動裝置的設(shè)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(dǎo)師，國家“973”計劃能源領(lǐng)域咨詢組專家。