交流特高压同杆并架线路上使用自适应重合闸应用价值分析研究

华北电力大学 彭 华 罗克宇

国家广播电影电视总局 张月文

华北电力设计院工程有限公司 张道农

华北电力大学 张建华

交流特高压同杆并架线路上使用自适应重合闸应用价值分析研究

华北电力大学 彭 华 罗克宇

国家广播电影电视总局 张月文

华北电力设计院工程有限公司 张道农

华北电力大学 张建华

本文以即将建设的交流特高压工程为例，利用辅助计算工具对同杆并架特高压线路是否采用单相自适应重合闸方案进行不同的故障分析，以期了解其在工程中的应用价值，研究其是否能保证和提高电网的安全稳定运行水平。

交流特高压线路；潜供电流；单相自适应重合闸

1.引言

从我国近些年输电线路故障运行记录的统计结果看，输电线路故障90%以上是单相接地故障，且大都是暂时性的，系统多采用单相自动重合闸来消除故障[1]。使用单相自动重合闸的目的是为了在瞬时性故障消除后使线路重新投入运行，从而尽快恢复系统的正常运行状态。但目前的重合闸技术存在2个主要问题：

1)不能区分瞬时和永久故障，可能重合于大电源系统出口的永久故障，使电力系统及电力设备又一次受到严重故障的冲击。

2)不能判别故障点是否已经熄弧，重合闸出口的延时是固定的，可能造成瞬时性故障因故障点尚未熄弧而重合不成功。

自适应重合闸能从根本上解决盲目重合闸的问题，消除重合于永久故障对系统和机组的危害，充分发挥快速自动重合闸的作用[2-3]。近年来，单相自适应重合闸的理论和方法日趋成熟，为其实用化奠定了理论基础。单相自适应重合闸的核心内容是故障性质的判别，对该问题的研究主要有以下几种方法[4]：

1)基于故障恢复电压的方法。文献[5-6]给出了永久性故障判别的修正电压判据；文献[7-8]在故障性质的判别方法上引入了人工智能，但应用相对复杂。

2)基于故障电弧特性的方法[9-11]。该方法难以确定判据使用的时间，且必须在较短时间内连续采样，计算各次谐波，计算复杂，灵敏性受谐波大小的影响。

3)基于高频通道信号衰减率的方法[12]。该方法受线路长度和天气等因素影响，对于不采用高频通信的线路无法使用。

4)对于带并联电抗器的输电线路，由于恢复电压低，不便于检测，文献[13]提出利用并联电抗器故障相电流判别瞬时性故障和永久性故障。

以上这些参考文献对于如何实现自适应重合闸技术进行了研究，但均没有从工程实际情况出发来考虑这项技术对于工程建设以及生产运行所带来的影响。而对于目前正在建设的特高压交流输电线路来说，由于交流特高压网架比较薄弱，承载着区域间互联的作用，传输的功率比较大，在跨线故障重合失败后两回线路均跳开，可能造成一个地区电网潮流严重的不足，给整个系统的运行带来不利的影响，因此对于交流特高压建设初期，更需要采取新的技术来保证和提高电网的安全稳定运行水平。

本文就此问题以规划中的交流特高压工程为例，利用辅助计算工具对同杆并架特高压线路是否采用单相自适应重合闸方案进行不同故障条件下的对比，以期了解其在工程中的应用价值，研究其是否能保证和提高电网的安全稳定运行水平。

2.电气计算基础条件

1)计算水平年

本文所研究工程规划2015年左右投产，因此选取2015年作为计算水平年。

2)计算负荷和装机

在潮流稳定计算中，以推荐的负荷和装机方案为基础，扣除部分接入220kV及以下电网的小机组和相应的负荷作为计算负荷和装机。

3)设计水平年的网架基础

以国家电网总体规划设计为指导，参照区域及省域电网公司“十二五”电网发展规划相关研究成果。

4)发电机、负荷模型

发电机模型采用带阻尼绕组的次暂态电势的Ed”，Eq”模型，计及原动机、调速器及PSS的作用。

负荷模型为华中、华东电网和除山东电网外的华北电网均为40%恒阻抗，60%恒功率模型；山东电网为50%恒阻抗，50%恒功率模型。

5)采用的模拟故障类型及切除时间

◆故障类型

1000kV线路三永故障

1000kV交流一回线路故障，保护误跳另一回线路

同杆架设双回线跨线故障

◆故障切除时间

1000kV线路单相瞬时接地故障，重合闸成功：0秒单相接地、0.1秒线路两侧单相跳、1.0秒重合闸成功；

1000kV线路单相永久接地故障：0秒单相接地、0.1秒线路两侧单相跳、1.0秒重合闸失败、1.1秒两侧三相跳开；

1000kV线路三相短路：0.0秒故障，0.1秒切除故障；

一回线故障保护误跳两回线路：0.0秒三相短路，0.1秒切除双回线路。

1000kV线路跨线异名相永久性故障，0秒跨线故障、0.1秒两回线路两侧单相跳、1.0秒一回线重合闸成功、1.1秒另一回线三相跳开；

1000kV线路跨线异名相永久性故障，0秒跨线故障、0.1秒两回线路两侧单相跳、1.0秒两回线重合闸失败、1.1秒两回线三相跳开；

切机时间：0.3s。

6)稳定判据

根据《电力系统安全稳定导则》(DL755-2001)、《电力系统技术导则》(SDJ131-84)、《电力系统设计技术规程》(SDJ161-85)、《电力系统暂态稳定计算暂行规定》(87电生供字第205号)等规程规定，电力系统稳定包括功角稳定、电压稳定和频率稳定三个方面。程序计算中，若三者都稳时，则系统是稳定的；若有一个不能稳定，则判定系统失稳。

◆功角稳定

●暂态稳定

暂态稳定的判据是电网遭受每一次大扰动后，引起电力系统各机组之间功角相对增大，在经过第一或第二个振荡周期不失步，作同步的衰减振荡，系统中枢点电压逐渐恢复。

●动态稳定

动态稳定指电力系统受到扰动后，在自动调节和控制装置的作用下，保持长过程的运行稳定性。

在计算过程中，如发生等幅或增幅振荡，则判定为动态不稳定；若系统在动态摇摆过程中发电机相对功角和输电线路功率呈衰减振荡状态，电压和频率能恢复到允许的范围内，则认为是动态稳定的。

◆电压稳定标准

根据大量工程分析的经验，电压稳定判别采用如下标准：

枢纽母线电压低于0.75pu持续时间0.8秒以内：稳定；

枢纽母线电压低于0.75pu持续时间0.8～1.0秒范围内：临界；

枢纽母线电压低于0.75pu持续时间1.0秒以上：不稳定。

◆频率稳定标准

在采取切机、切负荷措施后，不发生系统频率崩溃，且能够恢复到正常范围及不影响大机组的正常运行。

在上述三个方面均能满足的情况下，则认为系统是稳定的。

7)研究所用工具

本文采用中国电力科学研究院系统所PSD电力系统软件工具进行计算分析。

3.潮流计算

本文研究的目标网架潮流分布见图2-1所示。其中晋中站汇集宁东、靖边能源基地电力约6000MW，汇集蒙西能源基地电力约4000MW，分别通过靖边～晋中～豫北～徐州～连云港和蒙西～晋中～晋东南～南阳～荆门双回特高压通道送至华中东四省及华东长三角负荷中心。

根据潮流计算，各电压等级的母线电压及线路潮流均在允许范围内，潮流流向合理，无线路过载，各主要送出线路均满足“N-1”要求。

图2-1 目标网架正常方式潮流图

4.仿真结果与分析

1）暂态稳定校核

基于上述潮流方式，分别计算效验晋中附近同杆并架双回线路跨线故障采用不同重合闸方式对系统稳定性的影响。

●计算故障方式列表（如表3-1）所示

●计算结果及采取稳控措施列表（如表3-2）所示

●稳定曲线图（如图3-1～图3-8）

2）计算结果分析

经过上面的对比计算可以看出：

对于蒙西～晋中双回线为大电源的集中送出线路，外送功率较大，在表3-3中方式一、方式三的计算中，对于按照传统的运行方式两回线分别采用单向重合闸方式时，当故障为永久性故障，重合不成功时要双回线同时切除跳开。由于蒙西站本期没有500kV的就地负荷，因此当蒙西～晋中线路双掉后，线路潮流无法转移，导致连接到蒙西变周围的全部蒙西电厂发电机顺序失步，系统同一时间失去较大电源后导致系统电压频率波动很大，对系统影响较大，同时蒙西地区大量电力无法送出。

表3-1 故障方式列表

表3-2 计算结果及采取稳控措施列表

在表3-3中方式二、四的计算中，当蒙西～晋中双回线采用自适应重合闸方式按相重合闸运行方式时，当一条线路先重合成功后，判断故障为永久性故障另一条线不再重合跳开三相，故障扰动相当于线路N-1故障，系统能保持稳定，仍然能够保证蒙西地区的机组送出，对系统影响较小。

晋中～晋东南双回线为负荷较重的大功率传输线路，传输功率较大，在特高压电网中处于重要地位，在表3-3中方式五、方式七的计算中，对于按照传统的运行方式两回线分别采用单相重合闸方式时，当故障为永久性故障，重合不成功时要双回线同时切除跳开，对系统有较大扰动，引起大量的潮流转移，导致系统严重失稳，需要配置相应的安全稳定装置快速切除周围大量机组，才能保持系统稳定，切机容量约3600MW，对系统安全稳定影响较大。

在表3-3中方式六、八的计算中，当晋中～晋东南双回线采用自适应重合闸方式按相重合闸运行方式时，当一条线先重合成功后，判断故障为永久性故障另一条线不再重合跳开三相，故障扰动相当于线路N-1故障，对系统影响较小，不需采取任何措施就能保持系统稳定运行，极大的提高了系统的安全稳定性，同时避免了大量快速切机对机组的破坏性损伤。

3）稳定计算结论

通过以上稳定计算分析，可以看出对于蒙西、靖边等大电源送出和负荷较重的同杆并架双回线路来说，采用自适应重合方式可以大大提高系统的稳定裕度，增加电源送出的可靠性、提高机组运行的可靠性、减少

-67-电厂因线路无法送出而引起的机组停机的时间，能较好的提高相关电厂的经济效益。

进一步，在以上同杆并架线路发生多回线跨线故障，按照常规运行方式，均采用单相重合闸，在发生多相故障时，保护直接三跳不重合，等于线路发生N-2故障，对系统有较大的扰动，需要切除靖边、蒙西共机组5640MW左右机组才能保持系统稳定。如果在该线路上能够采用自适应按相顺序重合闸，如果为瞬时性故障，则重合闸成功后，不需要切机；即使对于永久性故障按序重合一回线，重合成功的概率也较高，相当于系统N-1故障，也能极大地提供系统的稳定，所以在1000kV特高压同杆并架线路上使用自适应重合闸有较大的应用价值。

5.结论

综合以上各节分析情况，我们可以得出以下结论：

同杆并架线路发生单相瞬时及永久性故障的可能性较高，因此采用自适应重合闸的顺序重合闸方式是可行的，其对系统暂稳水平提高了很多，有较大的应用价值。如果外部其它条件具备后，可以在工程中积极推荐使用。

[1]王皓,李永丽,李斌.750kV及特高压输电线路抑制潜供电弧的方法[J].中国电力,2005,38(12).

[2]袁越,张保会.电力系统自动重合闸研究的现状与展望[J].中国电力,1997,30(10).

[3]牛晓明,王晓彤,施围.超高压串联补偿输电线路的潜供电流和恢复电压[J].电网技术,1998,22(9).

[4]宋国兵,索南加乐,孙丹丹.输电线路永久性故障判别方法综述[J].电网技术,2006,30(18).

[5]范越,施围.输电线路单相重合闸电压判据的修正[J].电力系统自动化,2000,24(6).

[6]林湘宁,朱海昱,刘沛.基于模糊综合决策的自动重合闸优化判据的研究[J].电力系统自动化,1997,21(9).

[7]陈少华,张辉,陈允平.智能型自适应单相重合闸的应用研究[J].电力系统自动化,2002,26(3).

[8]陈璟华,陈少华,杨宜明.基于BP神经网络的自适应单相重合闸研究[J].高压电器,2003,39(4).

[9]孙静,李兴源,李立.基于小波变换和ANN的最佳重合闸时刻的研究[J].电力系统自动化,2000,24(15).

[10]李斌,李永丽,黄强.单相自适应重合闸相位判据的研究[J].电力系统自动化,2003,27(22).

[11]刘海峰,林湘宁,刘沛.基于形态学闭开-开闭梯度变换的单相自适应重合闸方案[J].电力系统自动化,2005,29(21).

[12]索南加乐,孙丹丹,付伟.带并联电抗器输电线路单相自动重合闸永久故障的识别原理研究[J].中国电机工程学报,2006,26(11).

[13]李永丽,李斌,黄强.基于高频保护通道信号的三相自适应重合闸方法[J].中国电机工程学报,2004,24(7).

Research and analysis on the value for adaptive reclosure applied to on-same-tower UHVAC power transmission line

Penghua1Luo Keyu1Zhang Yuewen2Zhang Daonong3Zhang Jianhua1
（1.North China Electric Power University，Beijing Changping，102206；2.The State Administration Of Radio Film And Television，Beijing Xicheng，100866；3.North China Power Engineering(Beijing)CO.，LTD，Beijing Xicheng，100120）

s：The paper includes different fault analysis on feasibility studies of single-phase reclosure applied to on-same-tower UHV-AC power transmission line.The practical case of an in-constructing UHV project is introduced with auxiliary calculation tools.Application benef ts are evaluated on improving the stability and reliability of power grid.

UHV-AC power transmission line；supply current；single-phase adaptive reclosure

彭华（1976—），男，硕士研究生，研究方向：电力系统继电保护、电力系统稳定预测与紧急控制等。

罗克宇（1975—），男，硕士研究生，研究方向：电力系统继电保护、电力系统稳定预测与紧急控制等。

张月文（1976—），女，工程师，主要从事电力通信运行及管理工作。

张道农（1961—），男，教授级高级工程师，主要从事继电保护及安全自动装置的设计与研究以及大型工程项目的项目管理工作。

张建华（1952—），男，教授，博士生导师，国家“973”计划能源领域咨询组专家。