基于串補線路出串運行的保護(hù)配合方法

楊 雪，李凡紅，李 輝，李飛鵬,王 勝，何海龍

(國網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610017)

0 引 言

隨著兩河口電廠等一系列重大工程投產(chǎn)，四川電網(wǎng)短路電流快速增長，在不采取措施的情況下，多處500 kV、220 kV母線短路電流超過斷路器遮斷容量[1]。同時，為了提高電力輸送容量，部分線路采用串聯(lián)電容補償方式，進(jìn)一步增加母線短路電流。因此，尋求一種降低短路電流的方案具有重要現(xiàn)實意義。

為解決水利資源豐富的甘孜片區(qū)電網(wǎng)窩電棄水問題，500 kV康蜀串補站采用串補輸電方式提升了通道外送能力，但導(dǎo)致蜀州站母線短路電流達(dá)極限水平。為有效抑制母線短路電流水平，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[1]提及線路出串運行降低短路電流方案，并分析了對安控裝置的影響，但其線路為常規(guī)無串補線路。文獻(xiàn)[2]提出通過分母運行、斷開線路等方法對短路電流進(jìn)行限制；文獻(xiàn)[3]提出一種基于Pareto優(yōu)化的分層分區(qū)方法；文獻(xiàn)[4]提出合理安裝電流限制器降低短路電流的方法。以上手段均為采用單一站內(nèi)措施對短路電流進(jìn)行限制，現(xiàn)場試驗效果亦不佳，對于重負(fù)荷的蜀州站已不具備現(xiàn)場指導(dǎo)意義。結(jié)合500 kV康蜀串補站與蜀州站實際情況，國網(wǎng)四川省電力公司提出將500 kV甘蜀一線和500 kV蜀景三線從蜀州站出串運行的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以最大程度降低蜀州站內(nèi)短路電流，但蜀景三線發(fā)生故障跳閘過程及跳閘后，會導(dǎo)致潛供電流、斷口間暫態(tài)恢復(fù)電壓有較大增幅，嚴(yán)重時將導(dǎo)致斷口發(fā)生重?fù)舸?、重合閘失敗、故障切除推遲甚至導(dǎo)致斷路器的損壞[5]。

下面提出一種在500 kV蜀景三線跳閘后與500 kV甘蜀一線串補本體保護(hù)裝置配合的保護(hù)方法，通過在500 kV康蜀串補站加裝遠(yuǎn)傳裝置，分別接收500 kV蜀景三線蜀州側(cè)和丹景側(cè)線路保護(hù)裝置的分相跳閘命令，實現(xiàn)聯(lián)跳串補裝置，抑制蜀景三線跳閘造成的潛供電流以及暫態(tài)恢復(fù)電壓。

1 設(shè)備及運行方式簡介

1.1 出串運行方式簡介

四川甘谷地水電送出通道經(jīng)500 kV甘谷地站—500 kV康蜀串補站送至500 kV蜀州站。為有效限制蜀州站母線短路電流，對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，采用500 kV甘蜀一線與500 kV蜀景三線從蜀州站出串運行的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，即甘谷地站第4串、丹景站第3串全串運行，蜀州站第7串邊斷路器停用，甘蜀一線和蜀景三線通過蜀州站內(nèi)中斷路器5072連接，如圖1所示。

圖1 500 kV蜀州站出串運行方式

1.2 串補站簡介

串聯(lián)補償電容通過其容抗性質(zhì)補償部分輸電線路感抗，使兩電源點間總電抗降低，從而聯(lián)系更加緊密，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。500 kV康蜀串補站作為川內(nèi)首座串聯(lián)電容補償站，其原理接線如圖2所示。帶串補運行時，圖中56112、56111隔離開關(guān)閉合，即將電容器組串接在甘蜀一線；與串聯(lián)電容器組并聯(lián)的MOV是一個金屬氧化鋅的非線性電阻。當(dāng)電容器兩端電壓較低時，MOV呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，MOV中不流過電流，串補裝置是一個線性電容器。當(dāng)電容器兩端的電壓超過導(dǎo)通級電壓時，MOV上逐漸流過電流，即將電容器中流過的電流分流，降低電容器組兩端電壓，從而起到保護(hù)電容器組作用[6]。如果電壓進(jìn)一步升高達(dá)到保護(hù)級電壓或MOV熱量值過大，則火花間隙擊穿，從而短接電容器組對電容器組進(jìn)行保護(hù)。阻尼電抗器能夠在半個周波內(nèi)使間隙擊穿或使5611斷路器旁路時產(chǎn)生的高頻分量電流衰減。

圖2 甘蜀一線串聯(lián)補償接線原理

500 kV康蜀串補站內(nèi)設(shè)置有雙重化配置的500 kV甘蜀一線串補本體保護(hù)裝置，用于保護(hù)電容器組。

2 出串運行對系統(tǒng)影響及解決方案

2.1 出串運行對系統(tǒng)影響分析

在圖1中，500 kV甘蜀一線通過蜀州站5072斷路器與500 kV蜀景三線進(jìn)行連接。當(dāng)500 kV蜀景三線發(fā)生故障時，蜀州站5072斷路器、丹景站5031、5032斷路器相繼跳閘后對系統(tǒng)的影響分析，主要從潛供電流、暫態(tài)恢復(fù)電壓以及故障對串補系統(tǒng)的影響進(jìn)行分析。

2.1.1 串補電容對暫態(tài)恢復(fù)電壓的影響

現(xiàn)有研究已闡明[7]，在串補線路中，當(dāng)線路切除故障并作用于斷路器跳閘時，由于串聯(lián)電容器兩端存在較高殘壓。這將導(dǎo)致斷路器跳開后，斷路器線路側(cè)斷口存在電位，斷路器母線側(cè)斷口與線路側(cè)端口之間的壓差(即斷路器斷口恢復(fù)電壓)可能超過原來水平。斷路器的暫態(tài)過電壓能力是有限的，由于串補電容器的作用，在串補電容器線路側(cè)發(fā)生故障時，將可能使暫態(tài)恢復(fù)電壓從無串補線路的 2.00 pu，最大增加到 8.48 pu[8]。當(dāng)暫態(tài)恢復(fù)電壓超過斷路器本身的能力，將導(dǎo)致斷路器重?fù)舸鹣到y(tǒng)過電壓、故障切除推遲甚至導(dǎo)致斷路器的損壞。對于串補線路出串運行原理類似，如圖1中，蜀景三線跳閘后，5072斷路器靠近串補側(cè)有較高的殘壓，仍然存在以上分析問題。

2.1.2 串補電容對潛供電流的影響

現(xiàn)有重合方式一般整定為單相重合閘方式，當(dāng)線路發(fā)生單相接地，保護(hù)跳開故障相兩端時，正常兩相之間由于電容耦合及互感作用，故障點弧光通道中仍有電流流過，即所謂的潛供電流。串補線路的潛供電流中有幅值較高的低頻分量,低頻分量使其過零次數(shù)減少，尤其當(dāng)弧道電阻較小時低頻分量幅值較大，所以單相重合閘成功率將相比無串補線路時低[9]。

2.1.3 故障對串補系統(tǒng)的影響分析

當(dāng)蜀景三線發(fā)生故障時，會有很大的短路電流〗流過電容器組，此時若不采取將串補電容器組快速旁路、退出運行的措施，在大電流的沖擊作用下，可能導(dǎo)致電容器組元件損壞，因此在蜀景三線故障時，需以較短延時旁路串補電容器組。此外，若蜀景三線發(fā)生單相永久性接地故障時，串補電容器組若在線路斷路器重合之前進(jìn)行重投，將導(dǎo)致電容器組重投于故障，同樣可能造成電容器組元件的損壞。

基于以上分析，在蜀景三線發(fā)生故障時，應(yīng)具備聯(lián)跳串補功能，且應(yīng)該在線路斷路器跳開之前旁路串補電容器組；若蜀景三線發(fā)生單相接地故障，應(yīng)在線路可靠重合以后再重投串補電容器組。

2.2 聯(lián)跳串補方案實施

基于以上分析，在蜀景三線發(fā)生故障后，為有效抑制斷路器跳閘后造成的暫態(tài)恢復(fù)電壓，降低斷路器被重?fù)舸┑娘L(fēng)險，同時提高重合閘成功率，蜀景三線跳閘后，應(yīng)同步聯(lián)跳甘蜀一線串補裝置。

2.2.1 康蜀串補站現(xiàn)有聯(lián)跳方式

以甘蜀一線/蜀景三線為例，500 kV蜀景三線跳閘后，應(yīng)能實現(xiàn)500 kV康蜀串補站500 kV甘蜀一線串補本體裝置退出運行，即觸發(fā)5611斷路器旁路。但在現(xiàn)有運行方式下，僅有甘蜀一線故障可實現(xiàn)聯(lián)跳甘蜀一線串補本體裝置、旁路5611斷路器功能。不同線路發(fā)生故障時康蜀串補站各裝置動作為：

1)甘蜀一線故障時，可實現(xiàn)聯(lián)跳康蜀串補站甘蜀一線串補功能，這是由于甘蜀一線固定接有故障后聯(lián)跳串補二次回路。當(dāng)甘蜀一線故障時，康蜀串補站甘蜀一線遠(yuǎn)傳裝置分別接收甘谷地側(cè)、蜀州側(cè)跳閘開入命令，并將跳閘命令轉(zhuǎn)發(fā)至甘蜀一線串補本體保護(hù)裝置。裝置收到跳閘開入命令后出口旁路5611斷路器，此時并未出現(xiàn)前面所提及的斷路器重?fù)舸⒅睾下实偷娘L(fēng)險。

2)當(dāng)蜀景三線發(fā)生故障時，無法實現(xiàn)聯(lián)跳康蜀串補站甘蜀一線串補本體保護(hù)。這是由于當(dāng)蜀景三線發(fā)生故障時，甘蜀一線縱聯(lián)差動保護(hù)判為區(qū)外故障，保護(hù)可靠不動作，即康蜀串補站甘蜀一線遠(yuǎn)跳裝置無法接收到跳閘命令，從而串補本體保護(hù)裝置不動作旁路5611斷路器。此外蜀景三線未將跳閘命令發(fā)送給康蜀串補站，即使蜀景三線跳閘，其跳閘命令無法發(fā)送至康蜀串補站本體保護(hù)裝置，從而造成跳閘后產(chǎn)生較高潛供電流和暫態(tài)恢復(fù)電壓，存在斷路器重?fù)舸⒅睾祥l失敗的風(fēng)險。

2.2.2 具體實施方案

提出在500 kV康蜀串補站新加遠(yuǎn)跳裝置，分別用以接收蜀州側(cè)和丹景側(cè)蜀景三線跳閘命令。以康蜀串補站1號串補本體保護(hù)為例進(jìn)行說明，圖3為康蜀串補站甘蜀一線1號串補本體保護(hù)聯(lián)跳回路原理圖。

圖3 甘蜀一線1號串補本體保護(hù)聯(lián)跳閘回路原理

圖3中，右側(cè)PCS-9570C-H2為康蜀串補站甘蜀一線1號串補本體保護(hù)裝置，蜀景三線遠(yuǎn)跳接口屏(蜀州側(cè)和單景側(cè))為新加遠(yuǎn)跳裝置。由圖可知，甘蜀一線出串運行前僅有甘蜀一線可實現(xiàn)聯(lián)跳串補功能，考慮出串運行后的特殊情況，將蜀景三線跳閘接點引入康蜀串補站遠(yuǎn)跳裝置，并將遠(yuǎn)跳裝置接入甘蜀一線1號串補本體保護(hù)裝置，蜀景三線丹景側(cè)遠(yuǎn)跳接口裝置用于接收蜀景三線跳閘后丹景側(cè)線路保護(hù)跳閘命令，并將跳閘命令轉(zhuǎn)至甘蜀一線1號串補本體保護(hù)裝置；蜀景三線蜀州側(cè)遠(yuǎn)跳接口裝置用于接收蜀景三線跳閘后蜀州側(cè)線路保護(hù)跳閘命令，并將跳閘命令轉(zhuǎn)至甘蜀一線1號串補本體保護(hù)裝置。

蜀景三線蜀州側(cè)和丹景側(cè)線路保護(hù)也通過加裝遠(yuǎn)跳裝置將其跳閘命令送達(dá)康蜀串補站，其原理相同，文中以蜀州側(cè)為例。如圖4所示，蜀景三線蜀州側(cè)1號線路保護(hù)裝置PCS-931SC-G的分相跳閘接點TJA-8、TJB-8、TJC-8接入遠(yuǎn)跳裝置，通過光纖與康蜀串補站蜀景三線遠(yuǎn)跳接口裝置A(蜀州側(cè))相連接，實現(xiàn)蜀景三線蜀州側(cè)故障后聯(lián)跳串補功能。

圖4 蜀景三線蜀州側(cè)1號線路保護(hù)跳閘命令開出

3 出串運行現(xiàn)場試驗

3.1 試驗方法

為檢驗所提方案回路的完整性和可靠性，在一次設(shè)備僅停串補情況下進(jìn)行試驗。試驗前首先進(jìn)行二次安全措施布置，防止在試驗過程中導(dǎo)致甘蜀一線誤跳閘。

試驗1：在蜀景三線蜀州側(cè)1、2號線路保護(hù)屏內(nèi)分別模擬蜀景三線A相、B相、C相單相瞬時接地故障，在康蜀串補站內(nèi)查看蜀景三線1、2號遠(yuǎn)跳接口裝置(蜀州側(cè))、甘蜀一線1、2號串補本體保護(hù)裝置開入變位情況，同時記錄5611斷路器動作情況。

試驗2：在蜀景三線蜀州側(cè)1、2號線路保護(hù)屏內(nèi)分別模擬蜀景三線AB相、BC相、CA相相間故障，在康蜀串補站內(nèi)查看蜀景三線1、2號遠(yuǎn)跳接口裝置(蜀州側(cè))、甘蜀一線1號串補本體保護(hù)裝置開入變位情況，同時記錄5611斷路器動作情況。

試驗3：在蜀景三線丹景側(cè)1、2號線路保護(hù)屏內(nèi)分別模擬蜀景三線A相、B相、C相單相瞬時接地故障，在康蜀串補站內(nèi)查看蜀景三線1、2號遠(yuǎn)跳接口裝置(丹景側(cè))、甘蜀一線1、2號串補本體保護(hù)裝置開入變位情況，同時記錄5611斷路器動作情況。

試驗4：在蜀景三線丹景側(cè)1、2號線路保護(hù)屏內(nèi)分別模擬蜀景三線AB相、BC相、CA相相間故障，在康蜀串補站內(nèi)查看蜀景三線1、2號遠(yuǎn)跳接口裝置(丹景側(cè))、甘蜀一線1、2號串補本體保護(hù)裝置開入變位情況，同時記錄5611斷路器動作情況。

3.2 試驗結(jié)果分析

4次試驗結(jié)果如表1所示。由表1可知，蜀州站、丹景站內(nèi)蜀景三線發(fā)生單相瞬時故障時，康蜀串補站內(nèi)甘蜀一線串補裝置正確旁路，待故障線路約1.5 s重合閘后，串補在1.7 s左右重投。當(dāng)蜀州站、丹景站內(nèi)發(fā)生相間故障時，康蜀串補站內(nèi)遠(yuǎn)傳裝置均正確接收三個分相跳閘命令，并將5611斷路器正確三相永久旁路。

表1 測試結(jié)果

為了更直觀說明所提出的保護(hù)配合方法，以最為常見的單相瞬時故障為例進(jìn)行詳細(xì)說明，圖5為模擬蜀景三線C相瞬時故障康蜀串補站所接收信息。

注：圖中#1串補代表甘蜀一線串補本體圖5 蜀景三線蜀州側(cè)C相瞬時故障1號線路保護(hù)聯(lián)動串補試驗結(jié)果

蜀景三線中斷路器重合閘定值設(shè)置為1.5 s，串補重投定值設(shè)置為1.7 s。由圖5可知，當(dāng)蜀州站蜀景三線發(fā)生單相接地故障，1號線路保護(hù)動作后，1號串補保護(hù)收到“A套C相線路聯(lián)跳串補旁路”命令，以收到此命令為錄波觸發(fā)起始點(即零時刻點)，控保系統(tǒng)各相關(guān)動作出口信號及旁路斷路器位置變化信號如下：1)串補保護(hù)無延時出口“A套C相間隙觸發(fā)”；2)串補保護(hù)8.8 ms延時后出口“#1串補#1保護(hù)旁路合閘”；3)操作箱18.8 ms延時后出口“#1串補#1操作箱C相合閘”；4)旁路斷路器46.8 ms延時后返回“#1串補5611斷路器C相合位”；5)串補保護(hù)1 709.800 ms延時后出口“#1串補#1保護(hù)串補重投”，其工作邏輯正確，在發(fā)生單相接地故障時，旁路串補以降低過電壓，待線路重合成功后，串補再進(jìn)行重投，防止串補先于線路重合閘，導(dǎo)致電容器組重合于故障，對電容器組造成傷害。

3.3 串補旁路時序關(guān)系

由前文分析可知，帶串補出串運行線路在發(fā)生故障時，由于電容器上殘壓，導(dǎo)致在拉開斷路器過程中或斷路器跳開等待重合過程中，斷路器有重?fù)舸┑娘L(fēng)險，因此有必要在斷路器開斷前對串聯(lián)電容器旁路并使其放電。但第3.2節(jié)中并未體現(xiàn)斷路器斷開前串補電容器已可靠旁路，尤其當(dāng)出現(xiàn)非常嚴(yán)重的故障需要在極短的時間(小于5 ms)內(nèi)將電容器組旁路時，由于旁路斷路器固有合閘時間在 30 ms 左右，不能滿足要求。這時解決方案為觸發(fā)火花間隙，使其導(dǎo)通，達(dá)到快速旁路的作用，原理見第1.2節(jié)中的介紹。但由于間隙不能自熄弧，因此在間隙被擊穿后仍需要合旁路斷路器使間隙熄弧。

結(jié)合第3.2節(jié)中結(jié)論，對比線路側(cè)斷路器跳閘時間、串補站內(nèi)斷路器合閘時間、間隙觸發(fā)時間等再進(jìn)行深入分析。 同第3.2節(jié)，以蜀景三線C相瞬時故障為例進(jìn)行分析，提取兩側(cè)錄波文件數(shù)據(jù)，如表2所示。

由表2可知：當(dāng)蜀景三線C相故障時，5072、5031、5032線路斷路器在34.6 ms時C相跳閘位置開入，證明斷路器已在分位；5611斷路器在46.8 ms時合閘位置開入，旁路成功，但間隙在7.8 ms時幾乎無延時瞬時旁路。說明在斷路器跳開之前，間隙早已觸發(fā)，將串補電容器組成功旁路，實現(xiàn)串補旁路先于線路斷路器跳開需求，有效抑制了前面提及的風(fēng)險，且在線路側(cè)斷路器成功分閘后，正確實行聯(lián)跳命令，出口旁路5611斷路器，可靠旁路串補，并使間隙熄弧。

表2 C相故障動作時序表

4 結(jié) 論

以500 kV康蜀串補站出串運行方式為例，對帶串補出串運行線路可能對系統(tǒng)造成的威脅進(jìn)行分析并提出了相應(yīng)的解決方案，主要結(jié)論如下：

1)帶串補線路出串運行方式下，當(dāng)延伸線路發(fā)生故障跳閘時，由于串補電容器兩端的殘余將導(dǎo)致出現(xiàn)過高的暫態(tài)恢復(fù)電壓以及難以熄滅的潛供電流，可能導(dǎo)致斷路器重?fù)舸⒅睾祥l失敗、故障切除推遲甚至導(dǎo)致斷路器的損壞的風(fēng)險。

2)當(dāng)蜀景三線線路故障拉開斷路器時，串補間隙保護(hù)功能可快速旁路串補，實現(xiàn)斷路器開斷前對串聯(lián)電容器旁路并使其放電，抑制斷路器拉開過程中造成斷路器重?fù)舸⒈苊舛搪冯娏鲗Υa電容器組造成損害，并延時出口合旁路斷路器使間隙熄弧。

3)所提出的串補線路出串運行保護(hù)配合方案在延伸線路單相接地時能與線路重合閘時間進(jìn)行配合，不僅能降低暫態(tài)恢復(fù)電壓，也能保證線路正確重合，同時也能避免串補重合于故障，對電容器組造成沖擊；在延伸線路發(fā)生相間故障時，能可靠永久旁路串補裝置，降低暫態(tài)恢復(fù)電壓。經(jīng)過現(xiàn)場試驗驗證了所提方案的可靠性。

所提出的串補線路出串保護(hù)配合方案方案接線簡單且前瞻性強，在系統(tǒng)運行方式發(fā)生改變后易于取消。目前該方案已投入生產(chǎn)應(yīng)用，具有較高的工程意義。