继电保护与母差停用的系统暂态稳定性
继电保护与母差停用的系统暂态稳定性
(河北电力调度通信局)张洪 郝剑欣
【摘 要】 通过对河北南网许营变电站220kV母线故障系统稳定性的分析计算，提出了适时调整继电保护动作行为，以提高枢纽变电站无母差保护时系统运行稳定性的措施，并对母差保护校验工作和系统运行的安排提出了建议。
在以220kV电压等级运行的变电站中，其主接线多采用双母线带旁路母线的接线方式。按照《继电保护和安全自动装置技术规程》的规定，可只配置单套母差保护。为了保证保护装置的正常运行，《继电保护和电网安全自动装置检验条例》中明确规定，所有保护装置均应在3～5年进行一次全部校验。母差保护的校检应按规定周期进行，校验期间母差保护将停用几天时间，被保护母线在这几天之内失去了母线保护。在电力系统中，位于重要位置的枢纽变电站在失去母差保护时，一旦发生母线故障均存在暂态稳定问题，因为此时的母线故障要靠本变电站所有出线的对侧延时段保护动作跳闸，把故障点从系统中隔离出来。故障切除慢是造成系统失稳的原因之一；原因之二则是枢纽变电站从系统中隔离出来势必引起电网结构发生较大变化，产生较为严重的负荷转移。如何保证系统在这种情况下的稳定运行，则需负责电网运行管理的技术人员进行大量的分析计算，以求寻找到有效的措施。
1 电力系统暂态稳定的要求及判据
同步运行稳定性、频率稳定性和电压稳定性是电力系统运行中必须同时满足的稳定性要求。失去同步运行稳定性的后果是系统发生振荡，引起系统中枢点电压、输电设备中的电流和电压大幅度地周期性波动，电力系统因不能继续向负荷正常供电而不能继续运行，可能造成大面积停电；失去频率稳定性的后果是发生频率崩溃，引起系统全停电；而失去电压稳定性的后果则是系统的电压崩溃，使受影响的地区停电。
目前，我国对保持暂态稳定的要求分三个层次：
(1)对较轻而又常见的故障，例如多回220kV线路中的一回发生单相永久故障，经重合后永跳，不但要求保持扰动后的系统稳定，还要求保持对用户的不间断供电。
(2)对网络薄弱条件的故障，例如系统单回联络线的故障，要求扰动后系统稳定，但允许损失部分负荷。
(3)对于严重的单一故障，即三相短路故障，仍强调要求保持扰动后的系统稳定，但允许采取各种可行的措施。
《电力系统安全稳定导则》中，把母线单相接地故障(不重合)的扰动明确地列入了允许损失部分负荷，但必须保持电力系统稳定的条款中。
暂态稳定的判据是：电网遭受每一次大扰动(如短路、重合于故障、切除线路或机组等)后，引起电力系统机组之间的相对角度增大，在经过第一个角度最大值后作同步的衰减振荡，系统中枢点电压逐渐恢复。
2 许营变电站正常运行时的母线故障系统稳定性
许营变电站在河北南网中位于南北联络的枢纽位置，邯郸和邢台地区的电力均需通过三条邢石北送线路经许营变电站送入石家庄地区。电网接线示意见图1。
许营220kV母线正常运行方式为241、243、244、247和213开关上Ⅰ号母线，242、245、246和214开关上Ⅱ号母线。当系统无检修，许营220kV母线正常方式，控制邢石三条线断面潮流不超过40万kW，许营母线发生三相短路，母差保护动作并在0.15s内有选择地切除故障母线，系统可保持稳定运行。当系统无检修，许营220kV母线为单母线方式时，母线发生单相接地短路或两相短路，母差保护正确动作切除故障，系统仍可保持稳定运行。而母线发生三相短路故障时，母差保护动作在0.15s内切除故障母线，系统将失去稳定。故障及其被切除后网络结构的变化，使负荷在各发电机组间重新分配，邢石北送断面潮流全部转移到定蠡线和蠡章线上。定蠡线和蠡章线的潮流正常为由保定地区向沧州地区供电，许营站母线发生三相短路全停后，定蠡线和蠡章线的潮流倒向，并出现潮流方向往复变化的振荡。
3 许营变电站220kV母差保护停用时的母线故障系统稳定性
由于阶段式保护的零秒保护段按躲过本线的对端母线整定，线路的高频保护只在线路内部故障时才起作用，而母线在其保护范围之外。因此，220kV母差保护停用时，母线故障要靠本变电站所有出线的对侧延时段保护动作跳闸。对许营变电站而言，要靠许常Ⅰ、Ⅱ线常山侧、铜许Ⅰ、Ⅱ线铜冶侧、范许线羊范侧、许里线王里侧及王许线王段侧的延时段保护动作切除故障。系统为无检修正常运行方式下，许营母线故障时，其出线对端有规定灵敏度的保护段动作时间见表1。
在上安和衡水电厂1号机检修邢石断面潮流为38万kW方式下，设许营母线发生两相短路，于0.45s故障切除。在此情况下，系统已失去稳定，部分机组的功角摇摆曲线见图2。若许营母线发生单相接地短路，于0.65s故障切除，系统也要失去稳定，其部分机组的功角摇摆曲线见图3。在稳定计算中设定的保护切除时间均比保护实际动作时间短，在这种情况下系统已经失去稳定，因此，若按实际保护无母差时系统稳定运行存在问题。
4 合理调整继电保护动作行为提高无母差的母线故障系统稳定性
《220～500kV电网继电保护装置运行整定规程》只要求：双母线接线方式，母差保护停用时，考虑当发生母线单相接地故障，由母线对侧的线路后备保护延时段动作跳闸时，电网不会失去稳定。故在此只就无母差时，母线单相接地故障情况进行分析。
4.1 系统稳定对继电保护动作行为的要求
应该说保持一个合理的电网结构是提高系统安全稳定运行的基础，继电保护快速有选择性地切除故障是保证系统安全稳定运行的首要条件，安全自动装置正确动作是保证系统稳定运行的最后防线。因此，在母差保护停用时要提高电网运行的稳定性也应先从前两个方面入手，考虑如何使故障切除时，电网结构的变化尽可能小。
在母差保护正常运行时，母线故障发生后，保护只有选择地将有故障的那一排母线切除，而另一无故障的母线及其所连设备均保持正常运行。若合理安排母线方式，此时本站在电网结构中所处的位置不会发生特别大的变化，故障造成的负荷转移也相应较轻，电网一般能够保持稳定运行。因此若母差保护停用时，也力求只切除故障母线，使另一无故障母线正常运行，将有助于提高系统运行的稳定性，系统稳定计算的结果也证实了这一点。在计算过程中，将故障切除顺序设定为：0.35s母联开关跳开，与故障母线相连的线路对端保护0.95s将开关跳开，非故障那排母线不被切除。邢石断面潮流仍为38万kW，许营任何一排母线故障，系统均能保持稳定运行。从图4所示的机组功角摇摆曲线上可以看出，功角摆动范围不大，而且是渐进收敛趋势。图5为定蠡线潮流波动曲线，从中可见蠡线潮流没有发生方向性变化，也是向一种渐进稳定的状态发展。由此可见，继电保护若按前述设定的动作行为切除故障，将可以使许营站无母差时系统运行不失稳。
许营母线故障时，0.65s把双母线全部切除，系统失稳，而故障持续到0.95s，只故障的一条母线切除，系统却可以保持稳定运行。所以说，故障切除时电网结构的不同变化，对系统稳定性影响很大，在今后的电网运行管理中还有很多值得研究的问题。
4.2 合理整定继电保护定值，以实现预期动作行为
由于无母差时的母线故障靠其出线的对端保护动作跳闸，若使这些线路保护能区分与它相连的对端母线是否有故障，只能靠母联开关先跳闸，将非故障母线与故障母线分开。
4.2.1 母联开关保护定值的整定原则
母联开关一般配有过流式充电保护，利用此保护中的零序过流元件并增加短延时构成所需保护。其电流定值整定应保证躲过最大负荷产生的不平衡电流，对本母线的接地故障有足够的灵敏度(以不小于1.5为宜)，以使其在母线无故障时不误动，有故障时能可靠地动作。其延时的整定应考虑在本站出线或相邻变电站的设备有故障时，靠故障设备自身的零秒保护动作切除故障，本母联开关不跳闸，实现只有本站母线故障才将双母线解列的目的。故母联保护延时t=t1＋t2＋t3，t1为故障设备瞬动保护固有动作时间及开关分闸时间，t2为母联时间继电器的误差，t3为裕度。大量故障录波数据表明，t1一般不大于0.07s；采用高精度时间继电器，可使延时较短时，t2不大于0.02s；t3取0.10s。因此t=0.07s＋0.02s＋0.10s=0.19s，实际可取0.2s。按上述原则及表2中短路计算结果，可将保护定值整定为500A，0.2s。
4.2.2 出线对端阶段式零序过流保护定值的整定原则
若要实现母联跳开后，只有与故障母线相连的线路对端保护动作跳闸，其定值整定就必须满足下列原则要求：
a.出线与故障母线相连时，过流元件定值必须在母联跳开后对故障母线有足够的灵敏度。线路长度小于50km，灵敏度不小于1.5；线路长50～200km，灵敏度不小于1.4；线路长度超过200km，灵敏度不小于1.3。
b.出线与非故障母线相连时，过流元件定值还必须
在母联跳开后可靠返回。一般返回系数不低于0.85。
c.延时元件的定值应考虑与母联开关的定值配合，较其增加一可靠的时间级差。延时还不能大于系统稳定要求的故障切除时间。
根据上述原则，结合正常方式的短路计算结果，整定出了临时零序保护定值，列于表2中。从临时定值与原有定值的比较中可以发现，将表2中后五条线路的Ⅱ段定值调整即可实现临时保护。
按照上述原则整定母联及相关线路的保护定值，能可靠地实现稳定要求的继电保护动作行为。因此，临时调整保护定值，提高电网运行稳定性的措施是可行的。使用了临时保护定值后，要求相关设备的速动保护必须可靠运行，否则一旦发生故障，母联会出现不希望的跳闸，使双母线解列，原通过母联的潮流发生转移。可以调整潮流，使通过母联的潮流被控制在尽可能小的状态，以减轻母联跳开时的潮流转移。由于现运行的220kV线路都配置了双套全线速动保护，故障时其全部拒动的可能性极小，故母联发生不必要的跳闸的几率也很小。因此，本文提出的方案无较大的不利影响。
5 母差保护校验与系统运行建议
(1)母差保护校验前，查一次设备无事故隐患。
对本站e运行的一次设备进行认真巡视，利用先进仪器(如红外探测仪)检查运行设备无过热等事故隐患后，再安排母差保护校验工作。这样可以大大降低无母差保护时发生母线故障的几率。
(2)选择适当的季节和天气校验母差。
应避免在大风、阴雨及下雾等空气湿度较大的天气停用母差，还应尽可能避开气候变化较快的季节。应禁止在电力设备事故多发时段停用保护，以减轻自然灾害性故障对电力系统安全稳定运行的危害。
(3)母差保护校验时，禁止本母线一次设备的操作。
对一次设备的误操作而造成的故障屡见不鲜，而误操作多造成三相短路故障，这种故障类型对系统的稳定运行影响最大。在无母差时出现这种严重故障，一般系统难以承受，因此要杜绝这种故障的发生。
(4)控制潮流，减少通过本母线的交换功率。
潮流较重的电力设备故障，引发系统失稳的可能性更大。因此，在停用母差时应调整通过本站的潮流，使其尽可能小，以减轻一旦发生故障时的负荷转移，提高系统稳定运行水平。
(5)适时调整继电保护的动作行为。
某变电站母差保护校验时，在电网中其他相关设备的速动保护正常的前提下，通过临时调整本变电站母联保护及出线对端的延时段保护定值，实现电网稳定要求的保护动作行为，保证发生母线单相接地故障系统不失稳。
(6)母差保护校验时，禁止停用相关设备的速动保护。
采用临时定值后，为了防止本站母联开关在非本母线故障时跳闸，要求母联定值范围内的所有设备均应保证速动保护的可靠运行，如线路的高频保护、其他母线的母差保护及主变的差动保护等都应正常运行。
6 参考文献
1 王梅义等著.大电网系统技术.北京：中国电力出版社，1995.
2 继电保护和安全自动装置技术规程.
3 继电保护和电网安全自动装置检验条例.
4 220～500kV电网继电保护装置运行整定规程.
5 电力系统安全稳定导则.
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2005-11-11 10:53:24