两起500kV断路器重合失败分析

李君明，臧 状，徐建源，滕 云

(1.丹东供电公司，辽宁 丹东 118000;2.沈阳工业大学，辽宁 沈阳 110870)

1 伊敏换流站故障情况

2011年1月2日，伊敏发电厂发生5053断路器A相TA烧毁，连接TA与断路器的母线脱落，脱落母线与互感器构架搭接，造成A相接地故障，伊敏换流站5043断路器与5042断路器动作，此时检测到伊敏换流站的母线Ⅰ电压并未恢复，伊敏发电厂5052断路器与5053断路器动作，故障被隔离。由于接地故障并未消除，在伊敏换流站5043断路器重合闸时，重合于永久性故障，5043断路器上流过较大的短路电路。在伊敏换流站5043断路器执行跳三相操作的过程中，伊敏发电厂5052断路器重合，伊敏换流站5043断路器出现较大的直流分量，其A相未能熄灭电弧，导致后备保护动作，使伊敏换流站与5043断路器相连的母线Ⅱ被隔离。图1为伊敏换流站及伊敏电厂故障的示意图。

图1 伊敏换流站及伊敏电厂故障示意图

2 5043断路器2次故障电流问题分析

本文在分析伊敏换流站5043断路器没有成功切除故障的原因时，通过仿真分析并结合伊敏换流站提供的5043断路器A相电流录波图，提出了2个导致其开断失败的关键原因:一是在故障发生到故障切除这段时间内，伊敏换流站5043断路器A相的短路电流比其重合闸时的A相电流小近10倍;二是伊敏发电厂5052断路器重合闸后，伊敏换流站5043断路器A相出现较为严重的零点漂移，流过5043断路器A相电流的交流分量相对较小，而直流分量幅值相对较大，这是导致伊敏换流站5043断路器开断失败的主要原因。

3 5043断路器零点漂移问题分析

从5043断路器A相电流录波图中可以看出，在伊敏电厂5052断路器闭合后，交流分量相对较小且出现了较大的直流分量，使故障电流在很长时间内不过零点，出现了零点漂移 (见图2)。针对伊敏发电厂和伊敏换流站事故中的零点漂移问题，本文从3个方面进行研究:发生故障时的电压相角对直流分量的影响;发电机阻抗的影响;故障点位置与断路器配合的影响。

图2 5043断路器A相电流录波图

3.1 发生故障时电压相角对直流分量的影响

根据短路电流的数学模型可以得出，影响短路电流直流分量的因素有交流分量的幅值、负荷电流(即故障前电流)、时间常数、电压初相角和故障前电压与电流的夹角，由于伊敏发电厂和伊敏换流站系统参数在接地故障过程中变化较小，即同一点发生故障，相同的断路器操作方式下，以上影响因素变化不大，唯一对直流分量影响严重的是在故障发生时电压的相角。本文针对伊敏发电厂及伊敏换流站，计算出了伊敏发电厂5052断路器重合闸时，伊敏换流站5043断路器中短路电流与电压相角的关系，如表1所示。

表1中，φ为伊敏发电厂5052断路器重合闸相角，Δt为短路电流首次过零时间，τ为短路电流直流分量衰减时间，inp0为直流分量初始值。从表中可以看出，故障时的电压相角对直流分量的影响较大。当5052断路器重合闸时，直流分量初始值、直流分量衰减时间及直流分量首次过零时间在伊敏换流站5043断路器电压相角为105°时均为最小，分别为0.246 kA、53.58 ms和8.64 ms，由于直流分量衰减时间小于20 ms，因此不发生零点漂移。

表1 5052断路器重合闸时，伊敏换流站5043断路器中的短路电流与电压相角的关系

3.2 发电机阻抗对直流分量的影响

通过分析可知，导致伊敏换流站5043断路器重合闸开断失败的主要原因是流过伊敏换流站5043断路器的直流分量过大，而直流分量的大小与系统阻抗有关，发电机是系统阻抗的重要组成部分，因此研究发电机阻抗的变化对流过5043断路器直流分量的影响是十分必要的。

3.2.1 发电机直轴同步电抗和交轴同步电抗对直流分量的影响

本文分别研究了改变发电机直轴同步电抗、交轴同步电抗及同时改变直轴同步电抗和交轴同步电抗对流过伊敏换流站5043断路器短路电流的影响。

图3给出了伊敏换流站重合闸开断时，流过5043断路器的故障电流的直流分量随发电机直轴同步电抗的变化。仿真计算时，仅改变直轴同步电抗Xd，交轴同步电抗Xq保持不变。由图3可以看出随着发电机直轴同步电抗的增大，故障电流的直流分量呈减小趋势，但幅值变化不大;直轴同步电抗增大到2倍以上时，故障电流的直流分量基本不变。

图3 发电机直轴同步电抗对直流分量的影响

图4给出了伊敏换流站重合闸开断时，流过5043断路器的故障电流的直流分量随发电机交轴同步电抗的变化。仿真计算时，仅改变交轴同步电抗Xq，直轴同步电抗Xd保持不变。由图4可以看出随着发电机交轴同步电抗的增大，故障电流的直流分量呈减小趋势，但幅值变化不大，最大值与最小值相差20 A左右。

图5为当伊敏发电厂G5及G6发电机交轴、直轴同步电抗同时变化时，对流过伊敏换流站5043断路器的故障电流的直流分量的影响，由图5可以看出，随着发电机交轴、直轴同步电抗的增大，故障电流的直流分量呈减小趋势，最大值与最小值相差150 A左右，变化的幅度大于仅改变直轴同步电抗或交轴同步电抗的情况。

3.2.2 发电机饱和度对直流分量的影响

图6 发电机饱和程度对故障电流直流分量的影响

发电机饱和程度与发电机直轴暂态电抗和交轴暂态电抗、直轴次暂态电抗和交轴次暂态电抗的值相关，随着饱和程度的增加，电抗值随之减小。因此，研究发电机直轴暂态电抗和交轴暂态电抗、直轴次暂态电抗和交轴次暂态电抗对故障电流的直流分量的影响，可以根据饱和程度进行研究。图6给出了发电机饱和度变化与5043断路器重合闸开断时直流分量的关系。由图6可见，发电机在饱和时，直流分量达到最小值6.902 kA，而在饱和前、不饱和、饱和与不饱之间及饱和后，故障电流的直流分量值基本一致;饱和时的最小值与其它4种情况下的直流分量幅值相差较大，为600 A左右，说明发电机直轴暂态电抗和交轴暂态电抗、直轴次暂态电抗和交轴次暂态电抗的值对故障电流直流分量的影响要大于发电机直轴电抗与交轴电抗值的影响。

3.3 故障点位置与断路器配合对直流分量的影响

由于伊敏发电厂和伊敏换流站电气连接的特殊性，在操作1台断路器时，势必对其它断路器产生影响［1］，例如操作伊敏电厂5052断路器，而伊敏换流站5043断路器出现零点漂移。本文以伊敏发电厂5052断路器故障为参考，确定5051断路器、5061断路器和5063断路器3个特殊的故障点，并依据5052断路器与伊敏换流站断路器的配合操作过程，确定各故障断路器的配合情况，计算出3种情况下各动作断路器的直流分量大小、首次过零时间及直流分量衰减的时间。3个故障点位置如图7所示。

图7 3个特殊故障点位置

3.3.1 伊敏发电厂5061断路器故障

依据伊敏发电厂5052断路器故障时的情况，当伊敏发电厂5061断路器故障时，动作的断路器应为伊敏发电厂5061断路器、5062断路器、伊敏换流站5031和5032断路器。结合伊敏发电厂和伊敏换流站一次接线图，建立仿真模型。

伊敏发电厂5062断路器重合闸时，直流分量在伊敏换流站5031开关的电压相角为0°时初始值最大，首次过零时间最长，直流分量衰减时间也最长，表2给出了各断路器的短路电流情况。

表2 伊敏发电厂5061断路器故障时，各动作断路器中短路电流

由表2可以看出，当伊敏发电厂5061断路器发生故障时，各动作的断路器中，伊敏换流站5031断路器中的直流分量最大，达到6.894 kA，其短路电流首次过零时间更是达到了83.9 ms，发生了严重的零点漂移。虽然其直流分量比5043断路器的直流分量小，但仍存在开断失败，导致断路器烧坏，因此在设定伊敏换流站5031断路器重合闸时应引起注意。而其它动作的断路器均未出现零点漂移，短路电流首次过零时间均小于20 ms，不会出现零点漂移，而且直流分量衰减时间也较小，因此不存在开断失败和断路器烧坏的危险［2－3］。

3.3.2 伊敏发电厂5051断路器故障

在伊敏发电厂5051断路器处发生故障时，各断路器的短路电流情况如表3所示。

表3 伊敏发电厂5051断路器故障时，各动作断路器中短路电流

从表3中可以看出，短路电路直流分量出现最大值的点是5061断路器处，其直流分量首次过零时间为4.19 ms，经计算，第2次过零时间为18 ms，未出现零点漂移。这是因为其交流分量幅值也较大，直流分量幅值仍小于交流分量幅值，因此不存在开断失败的危险［4－5］。其它断路器处短路电流的直流分量较小，没有出现零点漂移现象，也不存在开断失败的危险。

3.3.3 伊敏发电厂5063断路器故障

在伊敏发电厂5063断路器处发生故障时，各断路器的短路电流情况如表4所示。

表4 伊敏发电厂5063断路器故障时，各动作断路器中短路电流

由表4可以看出，短路电流直流分量最大的点在5052断路器处，直流分量首次的过零时间小于20 ms，并没有发生零点漂移，其它断路器处的短路电流首次过零时间也小于20 ms，也未发生零点漂移，因此，在伊敏发电厂5063断路器处发生故障时，并不存在断路器开断失败或者断路器烧坏的危险。

表5列出了在不同故障位置，直流分量、短路电流首次的过零时间及短路电流衰减时间的最大值情况。

表5 不同故障点处短路电流直流分量最大值情况

从表5中可以看出，在伊敏发电厂5053断路器和5061断路器处发生接地故障时，会发生零点漂移，直流分量首次过零时间最长为87.5 ms，为断路器重合闸整定值提供参考。

4 结论

a.伊敏换流站5043断路器开断失败的主要原因是流过5043断路器的短路电流直流分量的幅值远远大于交流分量幅值，使短路电流出现较长时间不过零点，导致断路器灭弧失败，而交流分量小的原因是伊敏发电厂和伊敏换流站断路器间配合分流所致。此外，重合闸时的电压相角对直流分量的大小影响较大。

b.发电机直轴同步电抗和交轴同步电抗都会对流过伊敏换流站5043断路器上短路电流直流分量有一定的影响，但影响不大。

c.当伊敏发电厂的5061断路器处发生接地故障时，与之相配合的伊敏换流站5031断路器会出现零点漂移现象，存在开断失败或者断路器烧坏的危险。当伊敏发电厂的5051或5063断路器处发生故障时，与之相配合的断路器不会发生零点漂移现象，因此也不会存在开断失败或者断路器烧坏的危险。

［1］林集明，王晓刚，班连庚，等.特高压空载变压器的合闸谐振过电压 ［J］.电网技术，2007，31(2):5－10.

［2］林 莘，谢寅志，徐建源.特高压交流输电系统短路电流零点漂移影响因素分析及防治措施［J］.高电压技术，2012，38(2):280－287.

［3］曹 炜，王永生，张文青.电力系统短路电流直流分量及其对断路器开断能力的影响 ［J］.电网技术，2012，36(3):283－288.

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［5］林 莘.现代高压电器技术 ［M］.北京:机械工业出版社，2002.