高压线路故障产生电压暂降的特性及对敏感负荷设备的影响

江宇，夏勇，张斌，冯垚，冉江虹

(重庆市电力公司 江津供电局，重庆 江津 402260)

0 引言

在输电线路发生故障时会对系统运行电压产生影响，故障切除后系统电压恢复正常，即使是瞬间故障的情况下，非故障线路也会影响而产生短暂的低电压，电压降低的幅值和时间会因故障类型不同有所区别，电压有效值快速下降到额定值的90%～10%，持续时间为10 ms～1 min国际电工学界定义这一现象为电压暂降[1－3](voltage sag)。电能质量关系到用电设备的平稳高效运行，地区电网在运行中供电可靠性和供电质量是供电部门工作中的重点，但暂态电压质量常常影响电网中的敏感设备运行，电网运行中出现在电压暂降这一客观问题，一直难以解决[4－6]。目前学术界主要从理论层面对电压暂降的指标[7]、检测识别[8]、暂降源的定位方法[9]做了大量研究。

随着地区电网快速发展，220kV线路已成为地区电网的主要输电线路，220kV输电线路发生故障时电压暂降凹陷域大，影响范围广，具有典型意义。220kV输电线路故障中单相故障占到绝大部分，本文以江津电网为调查对象，通过对220kV输电线路的保护配备，继电保护动作情况，线路故障情况的统计分析，找出220kV输电线路故障时产生电压暂降的特性，提出从电网运行侧消除电压暂降的难点。

通过调查地区电网中电压暂降对敏感负荷的受影响程度，并且结合当前的技术手段，提出从负荷侧降低电压暂降影响的措施。

1 220kV线路故障产生电压暂降的时间特性及

220kV及以上电网的所有运行设备都有两套交、直流输入、输出回路相互独立，并分别控制不同断路器的继电保护装置进行保护。当任一套继电保护装置或任一组断路器拒绝动作时，能由另一套继电保护装置操作另一个断路器切除故障。在所有情况下，这两套继电保护装置和断路器所取的直流电源都经由不同的熔断器供电。

为满足系统稳定性要求，220kV输电线路一般配两套全线速动保护(纵联保护)作为主保护，利用通信通道将双端测量的电气量传送到对侧，根据特定的关系判定区内或者区外故障，达到瞬时切除全线故障的目的。纵联保护不反应被保护线路以外的故障，可以保护线路全长，不受系统振荡影响，不用与相邻线路相配合，能反应各种类型的短路故障，灵敏度高能瞬时切除故障。

220kV线路采用的LFP、RCS、CSC成套保护装置，纵差保护距离Ⅰ段，零序Ⅰ段均为瞬时跳闸(0 s)，但经过微机保护从交流采样输入，逻辑判断，保护启动至出口，断路器分闸这一过程，在全线速动保护(光纤纵差、相差高频、方向高频)中实际的故障切除时间tsag为:

tp为保护装置固有动作时间，tp由以下几个时间组成:数据采集时间、信息比较时间、逻辑判断时间、信息传输时间和出口继电器动作时间。对于近端故障，阶段式距离保护可以直接动作(无需通道传输信息)，由于在线路保护装置中普遍增加了工频变化量距离元件，在近端侧约20%的范围内发生故障，保护动作时间最短可在10 ms内。从保护设备的技术说明上标注保护装置固有动作时间tp＜50 ms。

ts为断路器固有分闸时间，实际试验测量中ts为24～27 ms之间，一般 ts＜30 ms。

通过对故障切除时间的构成分析，当保护装置在正确动作时，在最不利的故障切除情况下，故障切除时限tsag＜80 ms。

对地区电网中最近两年220kV线路故障跳闸的情况分析，根据表1的统计可以看出220kV输电线路由于电压等级高，相间距离大，故障类型中单接地故障最多，故障切除时间短。输电线路故障时保护出口时间多在10 mS左右，保护装置上记录的这个时间不包括出口继电器的动作时间。

表1 220kV输电线路故障情况统计表

从情况统计来看故障切除时间多为40 ms～70 ms之间。根据故障录波装置记录的220kV黄双北线跳闸的故障录波图可以清晰看出，故障相产生约3个周波的电压暂降，具体如图1所示。

继电保护装置由感应、电磁式发展到集成、微机式，继电保护的四性已有明显的提升，保护装置的固有动作时间已明显缩短，输电线路发生故障时能够快速将故障线路切除，已能满足电网运行的稳定性要求。电压暂降的定义为供电电压有效值快速下降到额定值的90% ～10%，持续时间为10 ms～1 min，如果要进一步提高故障切除时间到10 ms以内，就需要大幅度提高保护装置的固有动作时间和断路器的固有分闸时间，这是从电网运行消除电压暂降的困难之一。

220kV输电线路多为架空导线架设于户外，线路总会因各种原因造成故障跳闸，如雷击、覆冰等灾害性天气，外力破坏，节日期间放飞的孔明灯、风筝都可能对电网运行造成威胁，这些因素又成为从电网运行侧消除电压暂降的困难之一。

2 220kV线路故障产生电压暂降的电压特性及敏感负荷影响分析

在图1中可以清晰的看出220kV输电线路故障后，会产生较大电压降幅，通过分析故障录波数据可以得出220kV线路故障后产生的最低故障电压，在调度运行部门通过对主要用户的调查，对负荷曲线的查阅可以统计得出单次电压暂降对供区内敏感负荷的影响程度，通过对江津地区电网220kV线路故障后统计得出表2中数据。

图1 220kV输电线路故障录波图

图2 relayCAC仿真输变电线路故障的模型

表2 电压暂降最低故障电压和负荷损失

为验证220kV输电线路故障产生的电压暂降电压跌幅，采用如图2中的仿真模型，以220kV黄双北线实际的故障距离、故障相别来验算，220kV线路在系统大方式下，220kV黄双北线在出线38%的地方产生A相短路接地后，验算得出了各电压等级母线的最低电压，如表3、表4。验算结果和故障录波数据一致。并且通过仿真结果可以看到受电压暂降影响，由该220kV变电站供电的110kV，10kV母线电压均有明显的下降。

表3 故障点电压/电流

表4 发生故障瞬间各母线电压

随着科技和经济的发展，负荷性质已悄然改变，如可调速电机，可编程控制器，交流接触器对电压质量的要求极高，超过10 ms，0.9 PU的电压就会停止工作[10]，电网中接入的这一类负荷称为敏感负荷。另一方面随着电网建设的加快工业园区的兴建使，负荷与负荷之间的联系越来越紧密，某一条线路的故障都会影响到同一系统中其它负荷的运行。在调度运行中经常发生因220kV线路故障跳闸，导致与该故障线路连接两个220kV变电站负荷损失的情况，这些损失负荷有220kV变电站所供电的110kV，35kV，10kV电压等级的负荷，220kV线路作为主要的输电线路，发生故障时产生的电压暂降会形成一个瞬时低电压的凹陷域，这一瞬时低电压的凹陷域较配电网线路故障产生的凹陷域大，影响的敏感设备更多[11]。

根据图3最低故障电压与持续时间分布及表2电压暂降最低故障电压和负荷损失统计分析，可以看出产生电压暂降的平均时间为45 ms左右，平均最低故障电压0.5 PU。

(1)最低故障电压高于0.9 PU以上时对电网负荷无明显影响。

(2)最低故障电压在0.9 PU至0.6 PU之间时电网负荷对电压暂降的幅值更敏感。

(3)最低故障电压低于0.6 PU时，电网负荷对电压暂降的持续的时间更敏感。

图3 最低故障电压与持续时间分布

3 应对电压暂降的措施

电压暂降是电网运行中难以避免的电能质量问题，供电部门已从电网侧采取了减少电压暂降次数的措施，包括一些常见的方法如全线装设架空地线，安装可控避雷针提高线路的耐雷水平，定期巡线砍伐超高树竹，架设绝缘导线，架空线入地等。电网运行中不断加大线路维护力度，减少线路故障的发生，不断提高输变电设备防雷水平，减少自然灾害对输变设备的破坏，并且合理安排运行方式，尽量减小线路故障时对系统的影响。

对改造困难的设备来说可以通过在高敏感负荷设备装设UPS或者恒压调压器，对大功率负荷可采用动态电压恢复器(DVR)补偿电压暂降。DVR主要用于可靠性和质量要求很高的用户，当电源电压发生变化时(无论是升高、降低或波形畸变)，在几毫秒中可将畸变波形补偿正常[12]。DVR是串联在线路上的，DVR通过串联在馈线上以电压叠加的方式注入配电系统，对系统侧及负荷侧无不利影响。

4 结束语

工业园区的大工业负荷密集，大量精密生产设备对电压质量的要求苛刻。电网的发展使得负荷与负荷之间的联系越来越紧密，虽然人们为减少电压暂降的产生已做出大量努力，但电网运行中受气象灾害、外力破坏造成的输电线路跳闸难以避免，继电保护的发展能将故障设备在瞬时切除，提高了电网运行稳定性，当前故障切除时间不能满足消除电压暂降的要求，尽可能的缩短断路器在故障情况下的分闸时间，缩短保护的出口时间，能够缓解电压暂降对敏感负荷的影响。改进敏感负荷对瞬时低电压的耐受能力，在负荷侧增加辅助设备，是减少电压暂降的影响有效措施。

[1]IEC61000－4－11，Testing and measurement techniques－voltage dips，short interruption and voltage variations immunity test[S].

[2]IEC61000－4－30，Testing and measurement techniques－power quality measurement methods[S].

[3]IEEE Std 1159 －1995，IEEE recommended practice for monitoring electric power quality[S]，1995.

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