电力系统220kV线路单相自动重合闸仿真分析

陈超

(韶关曲江供电局，广东韶关512100)

1 引言

占据电力系统中大部分故障是瞬时性故障，根据统计，目前电力系统中超过70%故障是单相接地故障，这里面又有80%的故障是瞬时性故障［1］，而自动重合闸的成功率一般为60% ～90%［2］。因此采用自动重合闸后，电力系统发生瞬时性故障时供电的连续性、系统运行的稳定性得到了很大的提高。此外，自动重合闸有效地纠正由于断路器或继电保护误动作引起的误跳闸。但是，由于自动重合闸不能识别永久性故障，所以会出现重合于永久性故障的情况，这给系统和设备带来很大的危害，主要表现为［2］:(1)重合于永久故障，将会对电力系统造成再次冲击，有可能使电力系统失去稳定性，使断路器工作条件变得恶劣;(2)汽轮发电机送出端重合，有可能对发电机轴系造成严重损伤。本文通过Matlab仿真软件对220kV输电线路单相自动重合闸过程进行仿真研究，为这一领域进一步发展提供参考。

2 单相自动重合闸特性研究

在220～550kV的架空线路上，由于线间距离大，大部分故障都是单相接地故障。因此，若是只将故障相断开，然后进行单相重合，而未发送故障的两相继续运行，这样大大提高了供电的可靠性以及系统并列运行的稳定性。这种重合闸就是单相重合闸。若是系统发生的是瞬时性的故障，则单相合闸成功，系统恢复正常运行。若是线路发生的是永久性的故障，单相合闸不成功，就需要根据系统的实际情况，若是不允许长期非全相运行时，应该切除三相并不再运行;如果需要转入非全相运行时，则应再次切除单相，再不进行重合［3］。下面就单相重合闸的几个主要问题进行研究。

2.1 故障相选择元件

(1)电流选相元件:在每相上装设一个过流继电器，按照启动电流大于最大负荷电流的原则整定其启动电流，以保证动作的选择性;

(2)低电压选相元件:用三个低电压继电器分别结语三相的相电压上，低压继电器是根据故障相电压降低的原理而动作;

(3)阻抗选相元件:用三个低阻抗继电器分别接于三个相电压和经过零序补偿的相电流上，以保证继电器的测量阻抗与短路点到保护安装地点之间的正序阻抗成正比;

(4)相电流差突变量选相元件:利用每量相的相电流之差构成三个选相元件，其原理是利用故障时电气量发生突变的原理构成的。

2.2 动作时限的选择

单相重合闸的动作时限的选择除了满足三相重合闸时的要求还要考虑如下问题:

(1)无论是单侧电源还是双侧电源，要考虑两侧选相元件与继电保护以不同时限切除故障的可能性;

(2)潜供电流对灭弧产生的影响。

2.3 保护装置、选相元件与重合闸回路的配合关系

保护装置、选相元件以及重合闸回路这三者之间互相配合的方框结构示意图如图1所示。

图1 保护装置、选相元件和重合闸回路互相配合的方框结构示意图

在单相重合闸的过程中，由于出现纵向不对称的缘故，由此产生负序和零序分量，从而可能引起本线路保护以及系统中其它保护误动作。对于可能产生误动作的保护，应该在单相重合闸动作的时候对其进行闭锁或者整定保护的动作时限大于单相重合闸的周期，以免发生误动作。

为实现对误动作保护的闭锁，在单相重合闸以及继电保护相连接的输入端都设有两个端子，一个保护接入在非全相运行中仍然继续工作的保护，一般称之为N端子;另一个端子接入可能非全相运行中可能误动作的保护，称为M端子。在重合闸工作后，利用“否”回路即可将接于M端的保护闭锁。当继电器合闸而恢复全相运行时，这些保护也恢复工作。保护装置与选相元件动作后，经“与”门进行单相跳闸，并同时启动合闸回路。对于单相接地故障，就进行单相跳闸和单相重合［3］。

2.4 单相重合闸的优点以及所存在的问题

(1)单相重合闸的优点:

1)可以实现在绝大部分的故障情况下保证用户的连续供电，因此提高了供电的可靠性。特别是当单侧电源单侧回路带重要负荷供电时，对保证不间断供电更有显著的优越性;

2)而对于双端供电而言，可在故障时大大加强两个系统之间的联系，因此提高了系统并列运行的动态稳定性。相较于薄弱的系统，当三相切除后再进行三相重合闸而很难恢复同步时，若采用单相重合闸就能够避免两系统解列。

(2)单相重合闸的缺点:

1)需要装设按相操作的断路器;

2)由于需要专门的选相元件与继电保护配合，还要考虑一些特殊的要求，使得重合闸回路的接线较为复杂;

3)为了防止在单相重合闸的过程中，由于非全相运行可能引起本线路和电网中其它线路保护误动作，会造成保护的接线、整定计算以及调试工作复杂化。

鉴于单相重合闸的优缺点，因此在220～500kV的线路上获得大规模的应用。而相对110kV的线路，一般不采用单相重合闸，仅仅会在由单侧电源供电向重要负荷供电的某些线路及根据系统运行需要装设单相重合闸的重要线路上，才会考虑使用。

3 基于Matlab的单相重合闸仿真模型的搭建

本文利用Matlab仿真软件搭建了一个系统电压等级为220kV，且为双端供电系统［4-5］。其系统图如图2所示，其主要参数设置如下。

(1)三相电压源模块:

电源电压:220kV;初相角:0°;频率:50Hz。

(2)线路分布参数:

频率:50Hz;每公里的电阻值:0.0117Ω/km;每公里的电感值:8.679×10-4H/km;每公里的电容值:1.341×10-8H/km。

(3)三相变压器参数:

接线方式:三角型;一侧绕组和二次绕组的变比:1∶16;励磁电阻:150pu;励磁电感:150pu。

(4)三相电源参数:

接线方式:Yg;初相角:0°;输出电压:13.8kV;输出频率:50Hz。

(5)负载参数

负载1:额定电压:220kV;频率:50Hz;有功功率:1.2×106W;感性无功功率:1.2×108var;容性无功功率:1×103var。

负载2:额定电压:220kV;频率:50Hz;有功功率:3×106W;感性无功功率:1×104var;容性无功功率:2×103var。

负载3:额定电压:13.8kV;频率:50Hz;有功功率:7×108W;感性无功功率:2×103var;容性无功功率:1 ×103var。

4 仿真结果分析

仿真设置:系统仿真时间0.3s;C相单相接地故障时间:0.1～0.16s;C相断路器断开时间:0.12s;C相断路器自动重合闸时间:0.18s。仿真后故障线路三相电流和电压波形如图3、图4所示。

仿真过程描述:因为本系统采用双端电源供电，所以当线路的C相发生单相接地故障时，断路器切除故障点并未对母线电压造成很大的改变。C相发生接地故障期间(0.1～0.16s)，C相断路器断开，其电流变为0，而其它两相的电流幅值减小;故障切除后，重合闸成功，三相电流经过一个暂态过程又恢复到稳定状态运行。

5 结论

图2 220kV系统单相重合闸仿真模型图

图3 单相重合闸故障线路电压波形

图4 单相重合闸故障线路电流波形

本文在研究单相自动重合闸工作特性的基础上建仿真结果表明:在电力系统发生瞬时性单相接地故障时，可以准确切除故障相，实现单相自动重合闸。结果立了基于Matlab的单相自动重合闸相仿真模型。其表明用Matlab对单相自动重合闸进行仿真研究，方法简单有效，可以为电力系统工作人员提供一个有效分析类似问题的有力工具，本文搭建的模型可作为研究单相重合闸的参考模型。

［1］索南加乐，刘辉，吴亚萍，等.基于故障测距的单相自动重合闸永久故障电压自适应补偿判据［J］.中国电机工程学报，2004，24(4):80.

［2］郭相国，张保会.自适应自动重合闸现状与发展［J］.继电器，2004，32(16):77-78.

［3］贺家李，宋从矩.电力系继电保护原理［M］.北京:中国电力出版社，1994:153-169.

［4］胥杰，张永健，高亮，等.单相自动重合闸故障选相元件及MATLAB 仿真研究［J］.高压电器，2010，46(9):19-21.

［5］王忠礼，段慧达，高玉峰.MATLAB应用技术在电气工程与自动化专业中的应用［M］.北京:清华大学出版社，2007:146-185.