陳超

(韶關(guān)曲江供電局，廣東韶關(guān)512100)

1 引言

占據(jù)電力系統(tǒng)中大部分故障是瞬時(shí)性故障，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前電力系統(tǒng)中超過70%故障是單相接地故障，這里面又有80%的故障是瞬時(shí)性故障［1］，而自動(dòng)重合閘的成功率一般為60% ～90%［2］。因此采用自動(dòng)重合閘后，電力系統(tǒng)發(fā)生瞬時(shí)性故障時(shí)供電的連續(xù)性、系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性得到了很大的提高。此外，自動(dòng)重合閘有效地糾正由于斷路器或繼電保護(hù)誤動(dòng)作引起的誤跳閘。但是，由于自動(dòng)重合閘不能識(shí)別永久性故障，所以會(huì)出現(xiàn)重合于永久性故障的情況，這給系統(tǒng)和設(shè)備帶來很大的危害，主要表現(xiàn)為［2］:(1)重合于永久故障，將會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成再次沖擊，有可能使電力系統(tǒng)失去穩(wěn)定性，使斷路器工作條件變得惡劣;(2)汽輪發(fā)電機(jī)送出端重合，有可能對(duì)發(fā)電機(jī)軸系造成嚴(yán)重?fù)p傷。本文通過Matlab仿真軟件對(duì)220kV輸電線路單相自動(dòng)重合閘過程進(jìn)行仿真研究，為這一領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展提供參考。

2 單相自動(dòng)重合閘特性研究

在220～550kV的架空線路上，由于線間距離大，大部分故障都是單相接地故障。因此，若是只將故障相斷開，然后進(jìn)行單相重合，而未發(fā)送故障的兩相繼續(xù)運(yùn)行，這樣大大提高了供電的可靠性以及系統(tǒng)并列運(yùn)行的穩(wěn)定性。這種重合閘就是單相重合閘。若是系統(tǒng)發(fā)生的是瞬時(shí)性的故障，則單相合閘成功，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。若是線路發(fā)生的是永久性的故障，單相合閘不成功，就需要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況，若是不允許長(zhǎng)期非全相運(yùn)行時(shí)，應(yīng)該切除三相并不再運(yùn)行;如果需要轉(zhuǎn)入非全相運(yùn)行時(shí)，則應(yīng)再次切除單相，再不進(jìn)行重合［3］。下面就單相重合閘的幾個(gè)主要問題進(jìn)行研究。

2.1 故障相選擇元件

(1)電流選相元件:在每相上裝設(shè)一個(gè)過流繼電器，按照啟動(dòng)電流大于最大負(fù)荷電流的原則整定其啟動(dòng)電流，以保證動(dòng)作的選擇性;

(2)低電壓選相元件:用三個(gè)低電壓繼電器分別結(jié)語三相的相電壓上，低壓繼電器是根據(jù)故障相電壓降低的原理而動(dòng)作;

(3)阻抗選相元件:用三個(gè)低阻抗繼電器分別接于三個(gè)相電壓和經(jīng)過零序補(bǔ)償?shù)南嚯娏魃?，以保證繼電器的測(cè)量阻抗與短路點(diǎn)到保護(hù)安裝地點(diǎn)之間的正序阻抗成正比;

(4)相電流差突變量選相元件:利用每量相的相電流之差構(gòu)成三個(gè)選相元件，其原理是利用故障時(shí)電氣量發(fā)生突變的原理構(gòu)成的。

2.2 動(dòng)作時(shí)限的選擇

單相重合閘的動(dòng)作時(shí)限的選擇除了滿足三相重合閘時(shí)的要求還要考慮如下問題:

(1)無論是單側(cè)電源還是雙側(cè)電源，要考慮兩側(cè)選相元件與繼電保護(hù)以不同時(shí)限切除故障的可能性;

(2)潛供電流對(duì)滅弧產(chǎn)生的影響。

2.3 保護(hù)裝置、選相元件與重合閘回路的配合關(guān)系

保護(hù)裝置、選相元件以及重合閘回路這三者之間互相配合的方框結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 保護(hù)裝置、選相元件和重合閘回路互相配合的方框結(jié)構(gòu)示意圖

在單相重合閘的過程中，由于出現(xiàn)縱向不對(duì)稱的緣故，由此產(chǎn)生負(fù)序和零序分量，從而可能引起本線路保護(hù)以及系統(tǒng)中其它保護(hù)誤動(dòng)作。對(duì)于可能產(chǎn)生誤動(dòng)作的保護(hù)，應(yīng)該在單相重合閘動(dòng)作的時(shí)候?qū)ζ溥M(jìn)行閉鎖或者整定保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限大于單相重合閘的周期，以免發(fā)生誤動(dòng)作。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)誤動(dòng)作保護(hù)的閉鎖，在單相重合閘以及繼電保護(hù)相連接的輸入端都設(shè)有兩個(gè)端子，一個(gè)保護(hù)接入在非全相運(yùn)行中仍然繼續(xù)工作的保護(hù)，一般稱之為N端子;另一個(gè)端子接入可能非全相運(yùn)行中可能誤動(dòng)作的保護(hù)，稱為M端子。在重合閘工作后，利用“否”回路即可將接于M端的保護(hù)閉鎖。當(dāng)繼電器合閘而恢復(fù)全相運(yùn)行時(shí)，這些保護(hù)也恢復(fù)工作。保護(hù)裝置與選相元件動(dòng)作后，經(jīng)“與”門進(jìn)行單相跳閘，并同時(shí)啟動(dòng)合閘回路。對(duì)于單相接地故障，就進(jìn)行單相跳閘和單相重合［3］。

2.4 單相重合閘的優(yōu)點(diǎn)以及所存在的問題

(1)單相重合閘的優(yōu)點(diǎn):

1)可以實(shí)現(xiàn)在絕大部分的故障情況下保證用戶的連續(xù)供電，因此提高了供電的可靠性。特別是當(dāng)單側(cè)電源單側(cè)回路帶重要負(fù)荷供電時(shí)，對(duì)保證不間斷供電更有顯著的優(yōu)越性;

2)而對(duì)于雙端供電而言，可在故障時(shí)大大加強(qiáng)兩個(gè)系統(tǒng)之間的聯(lián)系，因此提高了系統(tǒng)并列運(yùn)行的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。相較于薄弱的系統(tǒng)，當(dāng)三相切除后再進(jìn)行三相重合閘而很難恢復(fù)同步時(shí)，若采用單相重合閘就能夠避免兩系統(tǒng)解列。

(2)單相重合閘的缺點(diǎn):

1)需要裝設(shè)按相操作的斷路器;

2)由于需要專門的選相元件與繼電保護(hù)配合，還要考慮一些特殊的要求，使得重合閘回路的接線較為復(fù)雜;

3)為了防止在單相重合閘的過程中，由于非全相運(yùn)行可能引起本線路和電網(wǎng)中其它線路保護(hù)誤動(dòng)作，會(huì)造成保護(hù)的接線、整定計(jì)算以及調(diào)試工作復(fù)雜化。

鑒于單相重合閘的優(yōu)缺點(diǎn)，因此在220～500kV的線路上獲得大規(guī)模的應(yīng)用。而相對(duì)110kV的線路，一般不采用單相重合閘，僅僅會(huì)在由單側(cè)電源供電向重要負(fù)荷供電的某些線路及根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行需要裝設(shè)單相重合閘的重要線路上，才會(huì)考慮使用。

3 基于Matlab的單相重合閘仿真模型的搭建

本文利用Matlab仿真軟件搭建了一個(gè)系統(tǒng)電壓等級(jí)為220kV，且為雙端供電系統(tǒng)［4-5］。其系統(tǒng)圖如圖2所示，其主要參數(shù)設(shè)置如下。

(1)三相電壓源模塊:

電源電壓:220kV;初相角:0°;頻率:50Hz。

(2)線路分布參數(shù):

頻率:50Hz;每公里的電阻值:0.0117Ω/km;每公里的電感值:8.679×10-4H/km;每公里的電容值:1.341×10-8H/km。

(3)三相變壓器參數(shù):

接線方式:三角型;一側(cè)繞組和二次繞組的變比:1∶16;勵(lì)磁電阻:150pu;勵(lì)磁電感:150pu。

(4)三相電源參數(shù):

接線方式:Yg;初相角:0°;輸出電壓:13.8kV;輸出頻率:50Hz。

(5)負(fù)載參數(shù)

負(fù)載1:額定電壓:220kV;頻率:50Hz;有功功率:1.2×106W;感性無功功率:1.2×108var;容性無功功率:1×103var。

負(fù)載2:額定電壓:220kV;頻率:50Hz;有功功率:3×106W;感性無功功率:1×104var;容性無功功率:2×103var。

負(fù)載3:額定電壓:13.8kV;頻率:50Hz;有功功率:7×108W;感性無功功率:2×103var;容性無功功率:1 ×103var。

4 仿真結(jié)果分析

仿真設(shè)置:系統(tǒng)仿真時(shí)間0.3s;C相單相接地故障時(shí)間:0.1～0.16s;C相斷路器斷開時(shí)間:0.12s;C相斷路器自動(dòng)重合閘時(shí)間:0.18s。仿真后故障線路三相電流和電壓波形如圖3、圖4所示。

仿真過程描述:因?yàn)楸鞠到y(tǒng)采用雙端電源供電，所以當(dāng)線路的C相發(fā)生單相接地故障時(shí)，斷路器切除故障點(diǎn)并未對(duì)母線電壓造成很大的改變。C相發(fā)生接地故障期間(0.1～0.16s)，C相斷路器斷開，其電流變?yōu)?，而其它兩相的電流幅值減小;故障切除后，重合閘成功，三相電流經(jīng)過一個(gè)暫態(tài)過程又恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行。

5 結(jié)論

圖2 220kV系統(tǒng)單相重合閘仿真模型圖

圖3 單相重合閘故障線路電壓波形

圖4 單相重合閘故障線路電流波形

本文在研究單相自動(dòng)重合閘工作特性的基礎(chǔ)上建仿真結(jié)果表明:在電力系統(tǒng)發(fā)生瞬時(shí)性單相接地故障時(shí)，可以準(zhǔn)確切除故障相，實(shí)現(xiàn)單相自動(dòng)重合閘。結(jié)果立了基于Matlab的單相自動(dòng)重合閘相仿真模型。其表明用Matlab對(duì)單相自動(dòng)重合閘進(jìn)行仿真研究，方法簡(jiǎn)單有效，可以為電力系統(tǒng)工作人員提供一個(gè)有效分析類似問題的有力工具，本文搭建的模型可作為研究單相重合閘的參考模型。

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