斷路器故障運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響及其應(yīng)對(duì)措施

摘 要：現(xiàn)階段，社會(huì)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)使得各行各業(yè)對(duì)電能的穩(wěn)定供應(yīng)要求越來(lái)越高，停電引發(fā)的后果和社會(huì)輿論會(huì)造成極其嚴(yán)重的影響，因此時(shí)刻保持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行成為供電企業(yè)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一。鑒于此，從檢修專業(yè)的視角出發(fā)總結(jié)了運(yùn)檢一體化的意義，定量剖析了斷路器故障運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)、潮流斷面、導(dǎo)體元件溫升等方面的影響，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：斷路器；故障運(yùn)行；電力系統(tǒng)暫態(tài)；應(yīng)對(duì)措施

中圖分類號(hào)：TM561" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2023）18-0075-03

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

0" " 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)體量的快速增長(zhǎng)，社會(huì)各領(lǐng)域的用電需求不斷提升，電力的可靠供應(yīng)已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的頭等大事。供電企業(yè)必須切實(shí)落實(shí)保供電要求，持續(xù)保障電力系統(tǒng)這張大網(wǎng)持續(xù)、穩(wěn)定、高效運(yùn)轉(zhuǎn)。但堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵不僅僅在于投產(chǎn)前的規(guī)劃設(shè)計(jì)、一次設(shè)備的投資、調(diào)控的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，更為重要的在于針對(duì)當(dāng)前服役運(yùn)行的設(shè)備按照“一切事故可以預(yù)防”的理念，加強(qiáng)運(yùn)維，盡早提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷并及時(shí)處理。例如，變電站斷路器運(yùn)行到一定的年限之后，或多或少都會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，斷路器故障運(yùn)行的頻繁發(fā)生直接影響的就是地區(qū)供電的可靠性。隨著運(yùn)行檢修專業(yè)一體化的推進(jìn)，本專業(yè)檢修人員僅僅局限于故障斷路器退出運(yùn)行之后再分析問(wèn)題往往難以滿足現(xiàn)階段的電力生產(chǎn)要求，從風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)的角度，檢修人員應(yīng)隨時(shí)保持N-1的思維方式，分階段理解斷路器故障運(yùn)行對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的影響，尤其是在繼電保護(hù)專業(yè)方面，本級(jí)斷路器誤動(dòng)或拒動(dòng)導(dǎo)致越級(jí)跳閘時(shí)對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)、潮流斷面、導(dǎo)體元件溫升等方面的影響，或者是故障運(yùn)行的斷路器在退運(yùn)之后對(duì)電力系統(tǒng)全局或單點(diǎn)動(dòng)穩(wěn)定與熱穩(wěn)定的影響?，F(xiàn)有文獻(xiàn)大多是從檢修專業(yè)的視角出發(fā)，總結(jié)斷路器故障類型與斷路器的檢修要點(diǎn)，鮮有文獻(xiàn)從原理剖析斷路器故障運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響，并提出對(duì)應(yīng)的解決措施。本文先系統(tǒng)性介紹擴(kuò)展等面積法則，以便數(shù)據(jù)化衡量斷路器故障運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響，再結(jié)合筆者多年的檢修工作經(jīng)驗(yàn)提出改進(jìn)措施。

1" " 斷路器故障運(yùn)行的影響

1.1" " 研究背景及其意義

中國(guó)南方電網(wǎng)建設(shè)的大功率電網(wǎng)是世界上為數(shù)不多的跨區(qū)域和遠(yuǎn)距離傳輸大功率電網(wǎng)之一，其超高壓直流技術(shù)更是世界領(lǐng)先。交直流混合輸電系統(tǒng)的互聯(lián)在帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，其失去同步穩(wěn)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(kuò)大，使得電力系統(tǒng)陷入癱瘓的狀態(tài)，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(fā)生，尋求合適的數(shù)學(xué)方法與評(píng)估手段，研究斷路器故障運(yùn)行后電力系統(tǒng)能否順利渡過(guò)擾動(dòng)帶來(lái)的影響而達(dá)到新的平衡穩(wěn)定有著重要意義。根據(jù)GB 38755—2019《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》中的定義，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以分為表1中幾類。

雖然大系統(tǒng)之間有各種有效的安全穩(wěn)定控制裝置和應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況的措施，但就電網(wǎng)突發(fā)的局部故障而言，變電站斷路器故障運(yùn)行是最為常見(jiàn)的電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)，變電站斷路器是檢修次數(shù)最多的元件。由于現(xiàn)階段電力系統(tǒng)對(duì)各級(jí)電力生產(chǎn)人員提出了更高的要求，現(xiàn)行的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和控制趨于復(fù)雜，很有必要加強(qiáng)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究與理解，因此本文僅選取電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定進(jìn)行研究。

1.2" " 電力系統(tǒng)暫態(tài)擴(kuò)展等面積法則理論研究

電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性衡量的是電力系統(tǒng)中某個(gè)元件發(fā)生故障或整個(gè)系統(tǒng)受到內(nèi)外部大的干擾后，能否依靠自身的調(diào)控裝置或者其他措施達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。假如電力系統(tǒng)中所有發(fā)電機(jī)組在經(jīng)歷暫態(tài)過(guò)程后仍然保持同步運(yùn)行，那么這個(gè)系統(tǒng)就是暫態(tài)穩(wěn)定的。假如電力系統(tǒng)中所有發(fā)電機(jī)組在經(jīng)歷暫態(tài)過(guò)程后相互之間存在較大的相對(duì)轉(zhuǎn)速或者系統(tǒng)直接發(fā)生低頻振蕩，那么這個(gè)電力系統(tǒng)暫態(tài)不穩(wěn)定，可能導(dǎo)致系統(tǒng)的解列或瓦解，從而引發(fā)大面積的停電事故。

根據(jù)表1中穩(wěn)定分析的數(shù)學(xué)原理，時(shí)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(zhǔn)確性，其規(guī)模過(guò)大，計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，只適用于實(shí)驗(yàn)室建模分析和離線計(jì)算，尚不適應(yīng)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(tǒng)的原理解釋，而實(shí)際運(yùn)行的電力系統(tǒng)本質(zhì)上是非自治非線性的，目前該方法都沒(méi)有嚴(yán)格的李雅普諾夫能量函數(shù)。等面積法則恰好適應(yīng)在有窮元件的模型應(yīng)用，在經(jīng)典單機(jī)和多機(jī)電力系統(tǒng)中都得到了良好的運(yùn)用。

本文采用經(jīng)典的二階模型[1]，著重分析斷路器先故障運(yùn)行后切除某回高壓輸電線路后的系統(tǒng)，構(gòu)建如圖1所示的電力等值系統(tǒng)，假設(shè)發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)相量為E∠δ，頻率偏差為ω，負(fù)荷側(cè)為U∠0°，等值電抗為X∑，發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)為M，電磁功率為Pe，機(jī)械功率為Pm，其數(shù)學(xué)模型為：

假設(shè)線路Ⅱ中某種類型的故障發(fā)生后開(kāi)始對(duì)系統(tǒng)計(jì)時(shí)，在tc時(shí)刻故障被切除，系統(tǒng)在故障前中后對(duì)應(yīng)的功率特性曲線如圖1中PⅠ、PⅡ、PⅢ所示。且故障前穩(wěn)態(tài)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角為δ0，系統(tǒng)穩(wěn)定平衡點(diǎn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角為δS，故障切除瞬間發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角為δc，系統(tǒng)失穩(wěn)不平衡點(diǎn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子極限角為δu。

電力系統(tǒng)的安自裝置和繼電保護(hù)元件切除故障后，系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)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(duì)式（2）的兩端進(jìn)行分部積分，經(jīng)過(guò)一系列運(yùn)算和合并整理，本文可以得到關(guān)于相平面上任一定點(diǎn)（δa，ωa）的軌跡方程：

如圖2所示，假若故障發(fā)生后，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)相圖剛好處于封閉的軌跡上，計(jì)及系統(tǒng)阻尼的影響，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。如果位于某個(gè)開(kāi)軌跡上，縱使故障被及時(shí)切除，發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)間將失去同步。

實(shí)際上，由于軌跡方程的第一項(xiàng)具備暫態(tài)動(dòng)能的基礎(chǔ)雛形，按照拓展等面積法則，系統(tǒng)的加速暫態(tài)能量SA可以表示為：

系統(tǒng)的減速暫態(tài)能量SB可以表示為：

因此，判別故障切除之后系統(tǒng)是否能達(dá)到新的暫態(tài)平衡點(diǎn)，可以由系統(tǒng)暫態(tài)能量的比較直接得出。若系統(tǒng)的加速暫態(tài)能量SA大于系統(tǒng)的減速暫態(tài)能量SB，暫態(tài)運(yùn)行中系統(tǒng)會(huì)越過(guò)極限切除角而使得系統(tǒng)失去穩(wěn)定；若系統(tǒng)的加速暫態(tài)能量SA剛好等于系統(tǒng)的減速暫態(tài)能量SB，暫態(tài)運(yùn)行中系統(tǒng)達(dá)到臨界穩(wěn)定；若系統(tǒng)的加速暫態(tài)能量SA小于系統(tǒng)的減速暫態(tài)能量SB，暫態(tài)運(yùn)行中系統(tǒng)總是在穩(wěn)定狀態(tài)?？梢酝频脴O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(yùn)行之后會(huì)跳開(kāi)本級(jí)線路，瞬時(shí)故障會(huì)重合成功再次達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，永久故障會(huì)再次跳開(kāi)本級(jí)線路故障的斷路器。重合閘的動(dòng)作時(shí)間和充電時(shí)間會(huì)導(dǎo)致切除故障的時(shí)間延長(zhǎng)，因此得到重要結(jié)論：系統(tǒng)想保持一直在極限切除角前運(yùn)行，快速切除故障是保障暫態(tài)穩(wěn)定的有效措施。要想達(dá)到這個(gè)條件，除了保障元件本身工藝水平優(yōu)秀之外，運(yùn)維水平和檢修保持設(shè)備的高效運(yùn)轉(zhuǎn)也是關(guān)鍵因素之一[2]。

2" " 斷路器故障運(yùn)行的應(yīng)對(duì)措施

變電站斷路器故障運(yùn)行的原因大體可以分為兩類，第一類是雷擊、雨滴、受潮、鳥(niǎo)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(jī)械結(jié)構(gòu)或者電氣回路相關(guān)的原因。由于第一類故障的發(fā)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(yuǎn)程控制方式下發(fā)生拒絕合閘的故障現(xiàn)象。檢修人員在對(duì)此情況進(jìn)行分析時(shí)，最根本的做法在于判斷出是電氣回路故障還是機(jī)械故障，可以采用以下方法：1）檢查斷路器的內(nèi)部線路是否存在絕緣破損、斷線、受潮、漏電等現(xiàn)象；2）檢查斷路器的控制電源是否正常運(yùn)行；3）檢查控制開(kāi)關(guān)與隔離開(kāi)關(guān)，以便排除操作不當(dāng)引起的拒合；4）檢查傳動(dòng)結(jié)構(gòu)是否有合閘線圈損壞、斷路器內(nèi)部卡滯等；5）檢查合閘鐵芯是否動(dòng)作或者將控制開(kāi)關(guān)置“0”位?？傮w來(lái)講，對(duì)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(jié)合斷路器的類型采用合適的方法對(duì)電氣回路、油壓、氣壓進(jìn)行檢查。

拒跳故障，指的是斷路器在保護(hù)裝置發(fā)出跳閘指令時(shí)拒絕跳閘的現(xiàn)象。這類事故危害極大，盡管上級(jí)電源的后備保護(hù)可以切除大范圍故障，但仍會(huì)造成事故范圍的擴(kuò)大，延長(zhǎng)故障排除的時(shí)間，嚴(yán)重干擾電力調(diào)度人員進(jìn)行事故處理和快速?gòu)?fù)電，甚至?xí)?dǎo)致電力系統(tǒng)崩潰。拒跳故障可分為操作回路電氣故障和操作機(jī)構(gòu)機(jī)械故障，在判別時(shí)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(tài)，則證明跳閘回路電氣故障；2）檢查故障斷路器輔助觸點(diǎn)有無(wú)接觸不良問(wèn)題；3）檢查操作電源是否正常，跳閘鐵芯動(dòng)作是否異常；4）定期開(kāi)展跳閘回路維護(hù)試驗(yàn)，對(duì)多年未動(dòng)作的開(kāi)關(guān)聯(lián)合調(diào)度部門(mén)開(kāi)展不停電傳動(dòng)試驗(yàn)，在二次側(cè)給予跳閘的故障信號(hào)，檢測(cè)斷路器是否正常跳閘。

3" " 結(jié)束語(yǔ)

斷路器作為電能生產(chǎn)傳輸中不可或缺的設(shè)備之一，其作用主要是對(duì)線路進(jìn)行控制和在故障時(shí)可以正確動(dòng)作，從而保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，本文著重分析了斷路器故障運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響，剖析了保障暫態(tài)穩(wěn)定的關(guān)鍵措施，結(jié)合檢修專業(yè)的知識(shí)，減少斷路器故障運(yùn)行的概率，從而保障電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定性。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 劉笙，汪靜.電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的能量函數(shù)分析[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2010.

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[3] 譚風(fēng)雷，陳昊，張海華，等.基于機(jī)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(shù)，2022，43（7）：26-31.

收稿日期：2023-05-22

作者簡(jiǎn)介：陳嘉健（1991—），男，廣東江門(mén)人，工程師，研究方向：變電檢修。