典型变电站故障后断路器拒动对区域电网功角稳定问题的分析研究

史光宇，崔校瑞

（1.国网上海市电力公司市北供电公司，上海 200072；2.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001）

0 引言

500 kV明海湖变电站是连接山西电网大同分区与忻朔分区的关键站点，承担着雁淮直流跨区电力输送、忻朔区域新能源送出的重要任务，也是山西北电南送的重要组成部分。为分析极端严重故障情况下电网安全稳定水平和运行风险，做好电网严重故障下的风险预警工作，加强电网运行第三道防线建设，本文根据500 kV明海湖变电站主接线情况，系统梳理了站内500 kV及220 kV断路器接线情况及发生断路器拒动后，失灵保护启动流程。结合PSD-BPA仿真分析软件，通过对山西北部电网开机方式、故障类型、明海湖站内断路器整定时间等参数进行差异化设置仿真，分析不同情况下明海湖站内各个断路器发生拒动后忻朔电网功角稳定情况，并根据仿真结果对明海湖变电站断路器拒动情况做出分析，给出了相关断路器失灵整定时间设置的建议。

1 明海湖站断路器拒动概述

1.1 明海湖站主站接线及断路器配置

明海湖变电站是忻朔电网的主站之一，其500 kV侧连接着雁同站、五寨站、丁崖站，是山西北部大同电网和忻朔电网的电力枢纽，同时明海湖站还连接着雁门关换流站，是山西交流电网向雁淮直流输送电力的重要变电站[1]。在220 kV侧，明海湖站连接着向阳堡站、水头站、右玉站、林海站等220 kV变电站，同时还同卧龙洞风电场、彤欧光伏电站相连，对忻朔电网220 kV电力上送及周边新能源送出有着重要作用。

明海湖变电站内共有38个断路器，其中500 kV断路器21个，采用3/2接线方式。明海湖变电站500 kV断路器接线方式如图1所示，接线情况如表1所示。

1.2 明海湖站断路器保护配置及断路器拒动后失灵保护动作流程

明海湖站500 kV及220 kV电压等级断路器均配备失灵保护，其中220 kV侧失灵保护集成在母线保护中，500 kV侧失灵保护集成在断路器保护中[2]。当发生断路器拒动之后，失灵保护启动，跳开其相邻的所有断路器[3]。对于220 kV电压等级，断路器失灵后要跳开其所连接母线上所有相关断路器，以及该支路对侧线路所连接断路器，如2802断路器失灵保护启动，则需断开湖水I线水头侧断路器，同时断开同B母相连的2022、2803、2804这3个断路器；对于500 kV电压等级3/2接线的边断路器，需要跳开其所连接母线上所有相关断路器、同一串上的中断路器以及其所带间隔对侧的断路器[4]，如5023断路器失灵保护启动，则需断开同一串上中断路器5022、湖崖II线丁崖侧断路器，同时断开与II母相连的5013、5033、5043、5053、5063、5073、5082断路器；对于500 kV电压等级3/2接线的中断路器，需要跳开同一串上的2个边断路器以及其所带2条支路的对侧断路器，如5022断路器失灵保护启动，则需断开同一串上5021、5023断路器，同时断开湖崖II线丁崖侧断路器以及湖寨II线五寨侧断路器[5]。

明海湖站220 kV断路器共计17个，采用双母双分段接线方式，220 kV断路器接线情况如表2所示。

表2 明海湖站220 kV断路器接线表

2 BPA潮流方式数据边界及断路器整定值设置

为仿真明海湖站内断路器拒动后失灵保护启动造成的区域电网功角失稳，本文采用PSD-BPA软件进行仿真分析。

2.1 潮流稳定故障设置

表3 不同方式下山西北部电网开机情况

在确定开机方式后，分别对各个断路器设置N-1三相永久短路故障，并在故障开始后根据明海湖变电站内接线情况以及失灵保护启动流程，切断其对应母线上所有断路器、对侧线路上的断路器来模拟其“拒动”过程[6]。在一定时间后，故障消除，分析忻朔区域机组功角稳定情况，以此来判别明海湖变电站不同断路器发生断路器拒动后对忻朔电网稳定情况的影响。

2.2 断路器整定值设置

本文共设置了6种不同整定时间的失灵保护，分析不同断路器保护配置情况下发生断路器拒动后的系统功角稳定情况，具体计算故障设置如表4所示。例如，方式一考虑发生N-1三相永久故障后，主保护动作，单相断路器失灵，依靠失灵保护动作跳开相邻断路器三相隔离故障。故障切除时间：500 kV系统考虑0 ms故障、500 ms彻底切除故障，其中500 kV系统主保护动作时间取100 ms，100 ms时A相断路器拒动，B、C相断路器正路跳开，启动失灵保护，断路器失灵保护整定值按照300 ms考虑，则100～400 ms为断路器失灵保护整定时间，此阶段断路器维持A相拒动，B、C相跳开；断路器动作时间按照100 ms考虑，400～500 ms为相邻断路器三相跳开时间。220 kV系统考虑0 ms故障、740 ms彻底切除故障，其中主保护动作时间取120 ms、失灵保护整定时间500 ms、断路器动作时间120 ms。

表4 不同方式下山西北部电网开机情况 单位：ms

3 明海湖站断路器拒动对忻朔电网机组功角稳定的影响

根据上节内容，分别对山西北部电网开机方式、故障类型、明海湖站内断路器整定时间做了不同的设置。明海湖变电站不同断路器整定值设置下，断路器拒动后对忻朔电网功角稳定的影响很大，尤其是500 kV电压等级，多数情况下都失稳。具体情况如表5所示。

表5 明海湖变电站不同断路器整定值设置下断路器拒动后忻朔电网功角稳定情况

由表5可知，通过分别对山西北部电网开机方式、故障类型、明海湖站内断路器整定时间做不同的设置，计算分析得到如下结果。

a）明海湖站500 kV断路器发生拒动时，失灵保护启动引起的忻朔电网功角稳定问题较为严重，而220 kV断路器发生拒动时，则不会因失灵保护启动引起稳定问题。

b）不同故障引起的失灵保护启动所带来的电网稳定问题区别很大，由N-1三相永久故障引起的稳定问题较大，忻朔电网发生功角失稳现象，而由N-1单相永久故障引起的断路器拒动失灵保护启动则不会出现忻朔电网功角失稳现象。

c）明海湖站500 kV断路器失灵整定时间会影响失灵保护后忻朔电网稳定情况，在500 kV断路器失灵整定时间大于等于100 ms时，忻朔电网均失稳，而当将断路器失灵整定时间降低到20 ms后，绝大多数断路器不会因拒动引起忻朔电网失稳情况。

4 结束语

电力行业中，断路器是电力工作中的常用设备，它的作用是切断和接通负荷电流，以及截断故障电路，其运行质量关系到整个电力系统的稳定性。本文根据500 kV明海湖变电站主接线情况，系统梳理了站内500 kV及220 kV断路器接线情况及发生断路器拒动后失灵保护启动流程。结合PSDBPA仿真分析软件，通过对山西北部电网开机方式、故障类型、明海湖站内断路器整定时间等参数进行差异化设置，仿真分析不同情况下明海湖站内各个断路器发生拒动后忻朔电网功角稳定情况，并根据仿真结果对明海湖变电站断路器拒动情况做出分析。