繼電保護(hù)與母差停用的系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性

1、繼電保護(hù)與母差停用的系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性    在以220kV電壓等級運(yùn)行的變電站中，其主接線多采用雙母線帶旁路母線的接線方式。按照繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程的規(guī)定，可只配置單套母差保護(hù)。為了保證保護(hù)裝置的正常運(yùn)行，繼電保護(hù)和電網(wǎng)安全自動裝置檢驗(yàn)條例中明確規(guī)定，所有保護(hù)裝置均應(yīng)在35年進(jìn)行一次全部校驗(yàn)。母差保護(hù)的校檢應(yīng)按規(guī)定周期進(jìn)行，校驗(yàn)期間母差保護(hù)將停用幾天時間，被保護(hù)母線在這幾天之內(nèi)失去了母線保護(hù)。在電力系統(tǒng)中，位于重要位置的樞紐變電站在失去母差保護(hù)時，一旦發(fā)生母線故障均存在暫態(tài)穩(wěn)定問題，因?yàn)榇藭r的母線故障要靠本變電站所有出線的對側(cè)延時段保護(hù)動作跳閘，

2、把故障點(diǎn)從系統(tǒng)中隔離出來。故障切除慢是造成系統(tǒng)失穩(wěn)的原因之一;原因之二則是樞紐變電站從系統(tǒng)中隔離出來勢必引起電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，產(chǎn)生較為嚴(yán)重的負(fù)荷轉(zhuǎn)移。如何保證系統(tǒng)在這種情況下的穩(wěn)定運(yùn)行，則需負(fù)責(zé)電網(wǎng)運(yùn)行管理的技術(shù)人員進(jìn)行大量的分析計算，以求尋找到有效的措施。1電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的要求及判據(jù)同步運(yùn)行穩(wěn)定性、頻率穩(wěn)定性和電壓穩(wěn)定性是電力系統(tǒng)運(yùn)行中必須同時滿足的穩(wěn)定性要求。失去同步運(yùn)行穩(wěn)定性的后果是系統(tǒng)發(fā)生振蕩，引起系統(tǒng)中樞點(diǎn)電壓、輸電設(shè)備中的電流和電壓大幅度地周期性波動，電力系統(tǒng)因不能繼續(xù)向負(fù)荷正常供電而不能繼續(xù)運(yùn)行，可能造成大面積停電;失去頻率穩(wěn)定性的后果是發(fā)生頻率崩潰，引起系統(tǒng)全停電;而失去

3、電壓穩(wěn)定性的后果則是系統(tǒng)的電壓崩潰，使受影響的地區(qū)停電。目前，我國對保持暫態(tài)穩(wěn)定的要求分三個層次：(1)對較輕而又常見的故障，例如多回220kV線路中的一回發(fā)生單相永久故障，經(jīng)重合后永跳，不但要求保持?jǐn)_動后的系統(tǒng)穩(wěn)定，還要求保持對用戶的不間斷供電。(2)對網(wǎng)絡(luò)薄弱條件的故障，例如系統(tǒng)單回聯(lián)絡(luò)線的故障，要求擾動后系統(tǒng)穩(wěn)定，但允許損失部分負(fù)荷。(3)對于嚴(yán)重的單一故障，即三相短路故障，仍強(qiáng)調(diào)要求保持?jǐn)_動后的系統(tǒng)穩(wěn)定，但允許采取各種可行的措施。電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則中，把母線單相接地故障(不重合)的擾動明確地列入了允許損失部分負(fù)荷，但必須保持電力系統(tǒng)穩(wěn)定的條款中。暫態(tài)穩(wěn)定的判據(jù)是：電網(wǎng)遭受每一次大擾動

4、(如短路、重合于故障、切除線路或機(jī)組等)后，引起電力系統(tǒng)機(jī)組之間的相對角度增大，在經(jīng)過第一個角度最大值后作同步的衰減振蕩，系統(tǒng)中樞點(diǎn)電壓逐漸恢復(fù)。2許營變電站正常運(yùn)行時的母線故障系統(tǒng)穩(wěn)定性許營變電站在河北南網(wǎng)中位于南北聯(lián)絡(luò)的樞紐位置，邯鄲和邢臺地區(qū)的電力均需通過三條邢石北送線路經(jīng)許營變電站送入石家莊地區(qū)。電網(wǎng)接線示意見圖1。許營220kV母線正常運(yùn)行方式為241、243、244、247和213開關(guān)上號母線，242、245、246和214開關(guān)上號母線。當(dāng)系統(tǒng)無檢修，許營220kV母線正常方式，控制邢石三條線斷面潮流不超過40萬kW，許營母線發(fā)生三相短路，母差保護(hù)動作并在0.15s內(nèi)有選擇地切除故

5、障母線，系統(tǒng)可保持穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)無檢修，許營220kV母線為單母線方式時，母線發(fā)生單相接地短路或兩相短路，母差保護(hù)正確動作切除故障，系統(tǒng)仍可保持穩(wěn)定運(yùn)行。而母線發(fā)生三相短路故障時，母差保護(hù)動作在0.15s內(nèi)切除故障母線，系統(tǒng)將失去穩(wěn)定。故障及其被切除后網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化，使負(fù)荷在各發(fā)電機(jī)組間重新分配，邢石北送斷面潮流全部轉(zhuǎn)移到定蠡線和蠡章線上。定蠡線和蠡章線的潮流正常為由保定地區(qū)向滄州地區(qū)供電，許營站母線發(fā)生三相短路全停后，定蠡線和蠡章線的潮流倒向，并出現(xiàn)潮流方向往復(fù)變化的振蕩。3許營變電站220kV母差保護(hù)停用時的母線故障系統(tǒng)穩(wěn)定性由于階段式保護(hù)的零秒保護(hù)段按躲過本線的對端母線整定，線路的高頻

6、保護(hù)只在線路內(nèi)部故障時才起作用，而母線在其保護(hù)范圍之外。因此，220kV母差保護(hù)停用時，母線故障要靠本變電站所有出線的對側(cè)延時段保護(hù)動作跳閘。對許營變電站而言，要靠許常、線常山側(cè)、銅許、線銅冶側(cè)、范許線羊范側(cè)、許里線王里側(cè)及王許線王段側(cè)的延時段保護(hù)動作切除故障。系統(tǒng)為無檢修正常運(yùn)行方式下，許營母線故障時，其出線對端有規(guī)定靈敏度的保護(hù)段動作時間見表1。在上安和衡水電廠1號機(jī)檢修邢石斷面潮流為38萬kW方式下，設(shè)許營母線發(fā)生兩相短路，于0.45s故障切除。在此情況下，系統(tǒng)已失去穩(wěn)定，部分機(jī)組的功角搖擺曲線見圖2。若許營母線發(fā)生單相接地短路，于0.65s故障切除，系統(tǒng)也要失去穩(wěn)定，其部分機(jī)組的功角搖

7、擺曲線見圖3。在穩(wěn)定計算中設(shè)定的保護(hù)切除時間均比保護(hù)實(shí)際動作時間短，在這種情況下系統(tǒng)已經(jīng)失去穩(wěn)定，因此，若按實(shí)際保護(hù)無母差時系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行存在問題。4合理調(diào)整繼電保護(hù)動作行為提高無母差的母線故障系統(tǒng)穩(wěn)定性220500kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程只要求：雙母線接線方式，母差保護(hù)停用時，考慮當(dāng)發(fā)生母線單相接地故障，由母線對側(cè)的線路后備保護(hù)延時段動作跳閘時，電網(wǎng)不會失去穩(wěn)定。故在此只就無母差時，母線單相接地故障情況進(jìn)行分析。4.1系統(tǒng)穩(wěn)定對繼電保護(hù)動作行為的要求應(yīng)該說保持一個合理的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，繼電保護(hù)快速有選擇性地切除故障是保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的首要條件，安全自動裝置正確

8、動作是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的最后防線。因此，在母差保護(hù)停用時要提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性也應(yīng)先從前兩個方面入手，考慮如何使故障切除時，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化盡可能小。在母差保護(hù)正常運(yùn)行時，母線故障發(fā)生后，保護(hù)只有選擇地將有故障的那一排母線切除，而另一無故障的母線及其所連設(shè)備均保持正常運(yùn)行。若合理安排母線方式，此時本站在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中所處的位置不會發(fā)生特別大的變化，故障造成的負(fù)荷轉(zhuǎn)移也相應(yīng)較輕，電網(wǎng)一般能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行。因此若母差保護(hù)停用時，也力求只切除故障母線，使另一無故障母線正常運(yùn)行，將有助于提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，系統(tǒng)穩(wěn)定計算的結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。在計算過程中，將故障切除順序設(shè)定為：0.35s母聯(lián)開關(guān)跳開，與故障

9、母線相連的線路對端保護(hù)0.95s將開關(guān)跳開，非故障那排母線不被切除。邢石斷面潮流仍為38萬kW，許營任何一排母線故障，系統(tǒng)均能保持穩(wěn)定運(yùn)行。從圖4所示的機(jī)組功角搖擺曲線上可以看出，功角擺動范圍不大，而且是漸進(jìn)收斂趨勢。圖5為定蠡線潮流波動曲線，從中可見蠡線潮流沒有發(fā)生方向性變化，也是向一種漸進(jìn)穩(wěn)定的狀態(tài)發(fā)展。由此可見，繼電保護(hù)若按前述設(shè)定的動作行為切除故障，將可以使許營站無母差時系統(tǒng)運(yùn)行不失穩(wěn)。許營母線故障時，0.65s把雙母線全部切除，系統(tǒng)失穩(wěn)，而故障持續(xù)到0.95s，只故障的一條母線切除，系統(tǒng)卻可以保持穩(wěn)定運(yùn)行。所以說，故障切除時電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不同變化，對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響很大，在今后的電網(wǎng)運(yùn)行管

10、理中還有很多值得研究的問題。4.2合理整定繼電保護(hù)定值，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期動作行為由于無母差時的母線故障靠其出線的對端保護(hù)動作跳閘，若使這些線路保護(hù)能區(qū)分與它相連的對端母線是否有故障，只能靠母聯(lián)開關(guān)先跳閘，將非故障母線與故障母線分開。母聯(lián)開關(guān)一般配有過流式充電保護(hù)，利用此保護(hù)中的零序過流元件并增加短延時構(gòu)成所需保護(hù)。其電流定值整定應(yīng)保證躲過最大負(fù)荷產(chǎn)生的不平衡電流，對本母線的接地故障有足夠的靈敏度(以不小于1.5為宜)，以使其在母線無故障時不誤動，有故障時能可靠地動作。其延時的整定應(yīng)考慮在本站出線或相鄰變電站的設(shè)備有故障時，靠故障設(shè)備自身的零秒保護(hù)動作切除故障，本母聯(lián)開關(guān)不跳閘，實(shí)現(xiàn)只有本站母線故障才

11、將雙母線解列的目的。故母聯(lián)保護(hù)延時t=t1+t2+t3，t1為故障設(shè)備瞬動保護(hù)固有動作時間及開關(guān)分閘時間，t2為母聯(lián)時間繼電器的誤差，t3為裕度。大量故障錄波數(shù)據(jù)表明，t1一般不大于0.07s;采用高精度時間繼電器，可使延時較短時，t2不大于0.02s;t3取0.10s。因此t=0.07s+0.02s+0.10s=0.19s，實(shí)際可取0.2s。按上述原則及表2中短路計算結(jié)果，可將保護(hù)定值整定為500A，0.2s。若要實(shí)現(xiàn)母聯(lián)跳開后，只有與故障母線相連的線路對端保護(hù)動作跳閘，其定值整定就必須滿足下列原則要求：a.出線與故障母線相連時，過流元件定值必須在母聯(lián)跳開后對故障母線有足夠的靈敏度。線路長度

12、小于50km，靈敏度不小于1.5;線路長50200km，靈敏度不小于1.4;線路長度超過200km，靈敏度不小于1.3。b.出線與非故障母線相連時，過流元件定值還必須在母聯(lián)跳開后可靠返回。一般返回系數(shù)不低于0.85。c.延時元件的定值應(yīng)考慮與母聯(lián)開關(guān)的定值配合，較其增加一可靠的時間級差。延時還不能大于系統(tǒng)穩(wěn)定要求的故障切除時間。根據(jù)上述原則，結(jié)合正常方式的短路計算結(jié)果，整定出了臨時零序保護(hù)定值，列于表2中。從臨時定值與原有定值的比較中可以發(fā)現(xiàn)，將表2中后五條線路的段定值調(diào)整即可實(shí)現(xiàn)臨時保護(hù)。按照上述原則整定母聯(lián)及相關(guān)線路的保護(hù)定值，能可靠地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定要求的繼電保護(hù)動作行為。因此，臨時調(diào)整保護(hù)定值

13、，提高電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性的措施是可行的。使用了臨時保護(hù)定值后，要求相關(guān)設(shè)備的速動保護(hù)必須可靠運(yùn)行，否則一旦發(fā)生故障，母聯(lián)會出現(xiàn)不希望的跳閘，使雙母線解列，原通過母聯(lián)的潮流發(fā)生轉(zhuǎn)移?？梢哉{(diào)整潮流，使通過母聯(lián)的潮流被控制在盡可能小的狀態(tài)，以減輕母聯(lián)跳開時的潮流轉(zhuǎn)移。由于現(xiàn)運(yùn)行的220kV線路都配置了雙套全線速動保護(hù)，故障時其全部拒動的可能性極小，故母聯(lián)發(fā)生不必要的跳閘的幾率也很小。因此，本文提出的方案無較大的不利影響。5母差保護(hù)校驗(yàn)與系統(tǒng)運(yùn)行建議(1)母差保護(hù)校驗(yàn)前，查一次設(shè)備無事故隱患。對本站e運(yùn)行的一次設(shè)備進(jìn)行認(rèn)真巡視，利用先進(jìn)儀器(如紅外探測儀)檢查運(yùn)行設(shè)備無過熱等事故隱患后，再安排母差保護(hù)校驗(yàn)

14、工作。這樣可以大大降低無母差保護(hù)時發(fā)生母線故障的幾率。(2)選擇適當(dāng)?shù)募竟?jié)和天氣校驗(yàn)?zāi)覆?。?yīng)避免在大風(fēng)、陰雨及下霧等空氣濕度較大的天氣停用母差，還應(yīng)盡可能避開氣候變化較快的季節(jié)。應(yīng)禁止在電力設(shè)備事故多發(fā)時段停用保護(hù)，以減輕自然災(zāi)害性故障對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的危害。(3)母差保護(hù)校驗(yàn)時，禁止本母線一次設(shè)備的操作。對一次設(shè)備的誤操作而造成的故障屢見不鮮，而誤操作多造成三相短路故障，這種故障類型對系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行影響最大。在無母差時出現(xiàn)這種嚴(yán)重故障，一般系統(tǒng)難以承受，因此要杜絕這種故障的發(fā)生。(4)控制潮流，減少通過本母線的交換功率。潮流較重的電力設(shè)備故障，引發(fā)系統(tǒng)失穩(wěn)的可能性更大。因此，在停用母差時應(yīng)調(diào)整通過本站的潮流，使其盡可能小，以減輕一旦發(fā)生故障時的負(fù)荷轉(zhuǎn)移，提高系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行水平。(5)適時調(diào)