500 kV 变电站串内合环电流分析

杜敩， 陈昊， 任旭超， 刘永

(1. 国网江苏省电力有限公司检修分公司， 江苏 南京211102；2. 国网江苏省电力有限公司徐州供电公司， 江苏 徐州221000)

0 引言

随着我国输变电建设的推进, 500 kV 电网逐渐成为省级电网的主干网络[1-4]。 500 kV 变电站是500 kV 电网的重要组成部分, 变电站运维工作对于电网的安全稳定运行具有重要的意义[5-7]。 变电站运维人员可通过测控装置的同期功能在电网频率、 电压幅值和电压相位相差不大的情况下对断路器下达合闸指令, 完成电力系统的合闸或并列操作, 无需依靠人工核对表计进行合闸或并列操作[8-11]。 在正常运行方式下, 500 kV 母线处于并列运行状态, 两条母线频率、 电压幅值、 相位等很接近, 此时可利用中断路器直接进行串内合环操作, 合环时中断路器的电流很小, 不会对电网设备和电力系统运行产生冲击和影响。

由于直流变电站对电网影响趋强, 500 kV 变电站一般中断路器重合闸不投(如华东电网500 kV站边断路器重合闸延时改为1. 3 s, 2016 年后不再采用中断路器、 边断路器重合闸延时配合)。 在此背景下, 部分间隔在检修状态, 而在运行的完整串的线路事故跳闸后不自动重合中断路器, 如多条线路出现单跳单重, 两条500 kV 母线存在短时分列运行的概率, 此时两条母线间的电压幅值、 相位和频率存在一定差异。 当差值较大时利用中断路器进行串内合环, 可能会产生较大的冲击电流, 冲击电流会严重影响电网设备和电力系统的正常运行[12-13]。 针对此问题, 应结合变电站具体拓扑和日常运行情况, 提前做好事故预想。

事故预想分析是变电站运维工作中的一个重要组成部分, 结合已有事故案例分析, 进行事故预想分析能够有效提高电力系统安全运行水平, 加强对运维人员事故预想的反事故演习能够在突发事件下实现有效应对, 有助于实现电网安全稳定运行[14-17]。 本文对此种故障下的串内合环操作进行事故预想, 研究500 kV 母线因故障分列运行时,利用中断路器进行串内合环, 两条母线间的电压幅值、 相位对中断路器合环电流的影响, 通过建模仿真计算合环电流的大小, 判断是否会对设备和电网运行产生不利影响, 为运维人员在突发状况时的故障处理和操作提供有效的建议。

1 事故预想下的运行方式介绍

正常情况下, 500 kV 母线处于并列运行状态。假设发生某种故障, 中断路器跳闸使两条母线分列运行, 此时两条母线分别挂有多条出线, 为便于仿真, 将两条母线等效为各挂有一条出线负荷, 如图1 所示。

图1 事故预想下的运行工况

故障后两条出线负荷分别通过边开关5011 和5013 与Ⅰ母、 Ⅱ母相连, 中断路器5012 处于分闸状态, 经检查排除故障后需将5012 中断路器再次合上。 对此故障后的运行方式进行事故预想。 由于故障后两条500 kV 母线处于分列运行状态, 其电压幅值、 相位等可能不满足并列时的相关条件, 运维人员需要仔细检查两条母线的电压、 相位等信息, 本文将研究当前运行方式下能否进行串内合环, 以及此时合环电流的大小是否会对设备和电网运行产生不利影响。

2 事故预想下中断路器合环仿真分析

电力系统并列条件包括并列开关两侧的电压幅值、 相位相等以及并列开关两侧电源的频率相同。在事故预想的变电站母线运行方式下进行中断路器串内合环时, 主要是关注串内合环时能否满足电力系统并列条件, 如果不满足, 则可能产生冲击电流, 而较大的冲击电流则会对电网设备造成冲击,影响电力系统的正常运行, 严重时会造成故障跳闸。 由于是在同一变电站中进行研究, 假定两条母线在同一系统内, 母线间频率差可以忽略不计, 即认为两条母线频率一致。 本文在PSCAD 仿真平台上建模仿真, 在频率相同的基础上分别研究电压幅值、 相位以及出线负荷等因素对中断路器合闸并列的影响, 计算事故预想运行方式下不同并列条件的合环电流, 分析是否会对设备和电网运行产生不利影响。

2.1 不同出线负荷对中断路器合闸的影响

如图1 所示, 第一串间隔有出线1 和出线2,其线路末端负荷分别为负荷1 和负荷2, 假设两条母线电压幅值、 相位和频率都相同, 改变两条出线的负荷来研究负荷不同对中断路器合环电流的影响。 将Ⅰ母和Ⅱ母的电压幅值均设为525 2 kV,电压相位均为0°, 频率均为50 Hz。 假设中断路器电流正方向为母线Ⅱ流向母线Ⅰ, 不同负荷情况下进行合闸时的合环电流见表1。

表1 不同负荷情况下的中断路器合环电流有效值最大值(一次侧)

以工况4 负荷1、 2 功率均为150 MW、 25 Mvar为例, 两段母线电压幅值、 相位、 频率均一致, 中断路器在1 s 时进行合闸, 由于合闸前中断路器两侧电压幅值、 电流均相同, 两端为等电位, 因此合闸前中断路器电流为零, 合闸后中断路器电流也为零。

以工况6 负荷2 功率360 MW、 50 Mvar, 负荷1 功率150 MW、 25 Mvar 为例, 两段母线电压幅值、 相位、 频率均一致, 中断路器在1s 时进行合闸, 其一次侧电流波形(A 相) 如图2、 3 所示。

图2 工况6 下0～10 s 的合环电流工频 分量有效值和直流分量

图3 工况6 下0. 9～1. 1 s 的合环电流波形

从图2、 3 中可以看出, 合闸后的中断路器电流在正弦波基础上叠加有直流分量, 且直流分量随时间在不断衰减。 不同保护装置厂家对此电流有不同的计算方法, 本文采用正弦波有效值和直流分量有效值叠加的方法进行计算。

对不同工况下的中断路器合环电流进行计算和分析, 可以发现, 当母线电压幅值、 相位、 频率一致时, 出线负荷相差越大则中断路器合闸并列时的合环电流越大, 电流方向为轻负荷侧流向重负荷侧； 当两条出线负荷相差过大时, 其合环电流较大, 对设备和电网运行造成冲击, 产生不利影响。

2.2 母线电压幅值差异对中断路器合闸的影响

假设两条母线电压相位和频率相同, 且两条出线的负荷相同, 改变母线的电压幅值来研究幅值不同对中断路器合环电流的影响。 将Ⅰ母和Ⅱ母的电压相位均设为0°, 频率均为50 Hz, 两条出线的负荷均为150 MW 和25 Mvar。 假定中断路器电流正方向为母线Ⅱ流向母线Ⅰ, 不同电压幅值情况下进行合闸时的中断路器合环电流见表2。

表2 不同电压幅值情况下的中断路器合环电流有效值最大值(一次侧)

以工况11 下Ⅰ母、 Ⅱ母电压幅值分别为535 2 kV、 525 2 kV 为例, 两条母线电压相位和频率均一致, 中断路器在1 s 时进行合闸, 其一次侧电流波形(A 相) 如图4、 5 所示。

图4 工况11 下0～10 s 的合环电流工频 分量有效值和直流分量

图5 工况11 下0. 9～1. 1 s 的合环电流波形

以工况12 下Ⅰ母、 Ⅱ母电压幅值分别为545 2 kV、 525 2 kV 为例, 两条母线电压相位和频率均一致, 中断路器在1 s 时进行合闸, 其一次侧电流波形(A 相) 如图6、 7 所示。

图6 工况12 下0～10 s 的合环电流工频 分量有效值和直流分量

图7 工况12 下0. 9～1. 1 s 的合环电流波形

结合工况11、 工况12 下的中断路器电流波形和表2 中的数据可以看出, 当母线电压相位、 频率和出线负荷一致时, 母线电压幅值相差越大, 则中断路器合闸并列时的电流越大, 电流方向由高电压母线流向低电压母线； 当两条母线电压幅值相差过大时, 中断路器合环电流较大, 对设备和电网运行造成冲击, 产生不利影响。

2.3 不同母线电压相位对中断路器合闸的影响

假设两条母线电压幅值和频率相同, 且两条出线的负荷相同, 改变母线的电压相位来研究相位不同对中断路器合环电流的影响。 将母线Ⅰ和母线Ⅱ的电压幅值均设为525 2 kV, 频率均为50 Hz, 两条出线的负荷均为150 MW 和25 Mvar。 假定中断路器电流正方向为Ⅱ母流向Ⅰ母, 不同电压相位情况下进行合闸时的中断路器电流见表3。

以工况16 下Ⅰ母、 Ⅱ母电压相位分别为0°、-0. 2°为例, 两条母线电压幅值和频率均一致, 中断路器在1 s 时进行合闸, 其一次侧电流波形(A相) 如图8、 9 所示。

表3 不同电压相位情况下的中断路器合环电流有效值最大值(一次侧)

图8 工况16 下0～10 s 的合环电流工频 分量有效值和直流分量

图9 工况16 下0. 9～1. 1 s 的合环电流波形

以工况17 下Ⅰ母、 Ⅱ母电压相位分别为0°、-1°为例, 两段母线电压幅值和频率均一致, 中断路器在1 s 时进行合闸, 其一次侧电流波形( A相) 如图10、 11 所示。

结合工况16、 工况17 下的中断路器电流波形和表3 中的数据可以看出, 当母线电压幅值、 频率和出线负荷一致时, 母线电压相位相差越大则中断路器合闸并列时的电流越大, 电流方向由高压母线流向低压母线； 当两条母线电压相位相差过大时,中断路器合环电流较大, 对设备和电网运行造成冲击, 产生不利影响。

图10 工况17 下0～10 s 的合环电流工频 分量有效值和直流分量

图11 工况17 下0. 9～1. 1 s 的合环电流波形

2.4 母线电压、 相位以及出线负荷对中断路器合闸的综合影响

仍考虑事故预想的电力系统运行方式下, 综合分析母线电压、 相位以及出线负荷对中断路器合闸并列的影响。 现将母线电压、 相位以及出线负荷三个因素综合考虑, 研究在事故预想运行方式且电网运行较恶劣情况下对中断路器合环电流的影响, 判断是否会对设备和电网运行产生不利影响。 此时仍假定中断路器电流正方向为母线Ⅱ流向母线Ⅰ, 其中两条母线频率均为50 Hz, 不同电压幅值、 相位和负荷情况下进行合闸时的中断路器电流见表4。综合电压幅值、 相位和出线负荷等因素考虑, 从表4 的结果中可以看出, 在事故预想的电力系统运行方式下利用中断路器进行合闸并列时, 当两条母线电压幅值、 相位和两条出线负荷均处于不利条件且相差较大时, 如工况19、 20 所示, Ⅰ母电压幅值、相位均小于Ⅱ母电压幅值、 相位且出线1 负荷大于出线2 负荷。 此时中断路器的电流有效值将会迅速增大, 从工况19 中的412. 4 A 增至工况20 中858. 8 A, 合环时的冲击电流较大, 很有可能对设备和电网运行造成冲击, 产生不利影响。 因此, 在利用中断路器合闸将两条母线并列操作时应尽可能注意当时的运行条件, 尽可能避免在母线电压幅值、 相位和出线负荷相差过大时进行合闸。

表4 不同电压幅值、 相位和负荷下的中断路器合环电流有效值最大值(一次侧)

3 结语

本文针对500 kV 变电站某种故障下的运行方式进行事故预想分析, 研究此种情况下利用中断路器进行两条母线的合环并列操作时, 母线电压、 幅值和出线负荷等因素对中断路器合环电流的影响。研究结果表明, 当母线电压、 幅值和出线负荷这些因素均处于不利条件且相差较大时, 合环时的冲击电流较大, 很有可能对设备和电网运行造成冲击,产生不利影响。 因此建议运维人员遇到类似情况时, 应重点关注母线的电压、 相位, 并且采取相关措施尽可能使母线电压幅值、 相位一致, 在出线负荷相差不大的情况下进行合闸并列操作。