一起因500 kV線路傳輸功率過(guò)大而導(dǎo)致線路同頻并網(wǎng)失敗案例分析

羅義軍，李 飛，李 超

(雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610051)

0 引 言

某大型水電站(以下簡(jiǎn)稱A水電站)裝機(jī)6臺(tái)，單機(jī)容量為600 MW，總裝機(jī)容量為3600 MW。 A水電站500 kV電氣一次設(shè)備由500 kV GIS、500 kV GIL及其附屬設(shè)備組成，主接線采用4/3和雙斷路器的混合接線方式。3回出線至某換流站(以下簡(jiǎn)稱B換流站)，線路長(zhǎng)度為81 km,其中500 kVⅠ、Ⅱ線為同塔雙回線路，另外還有單獨(dú)的某Ⅲ線。

2020年1月9日，500 kVⅠ、Ⅱ線停電檢修完成，等待調(diào)度命令合環(huán)，此時(shí)，A水電站5臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，總功率為2400 MW，系統(tǒng)采用500 kV Ⅲ線單回線路送出2400 MW。

500 kVⅠ線由B換流站側(cè)充電正常后，A水電站側(cè)自動(dòng)同期裝置因相角差無(wú)法滿足并網(wǎng)條件，導(dǎo)致線路兩側(cè)中斷路器均合閘失敗。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)線路與主變壓器高壓側(cè)相角差為±12°左右，而同期裝置相角差定值為±10°，同期合閘相角差不滿足定值要求，是同期合閘失敗的主要原因，而以往線路正常同期合閘時(shí)的相角差通常小于±1°。

下面將探討分析造成同期合閘相角差變大的原因，并采取措施減小同期并網(wǎng)相角差，成功實(shí)現(xiàn)同期并網(wǎng)，進(jìn)而探討影響同頻并網(wǎng)的因素。

1 同頻并網(wǎng)與差頻并網(wǎng)概述

目前，根據(jù)并網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景不同，電力系統(tǒng)將并網(wǎng)操作分為同頻并網(wǎng)和差頻并網(wǎng)。

同頻并網(wǎng)是指同步點(diǎn)兩側(cè)的系統(tǒng)已經(jīng)存在著電氣聯(lián)系,只是通過(guò)并網(wǎng)操作再增加一條回路的操作。例如已經(jīng)并網(wǎng)運(yùn)行的系統(tǒng)，再增加一條送出線路或者開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的合環(huán)操作。其主要特點(diǎn)是同步點(diǎn)兩側(cè)系統(tǒng)頻率相同,但可能存在一定的電壓幅值差,并且存在著一個(gè)固有的相角差。這是因?yàn)椴⒕W(wǎng)點(diǎn)兩側(cè)頻率相同,但在實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)前并網(wǎng)點(diǎn)兩側(cè)電壓幅值可能不同,而且兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)功角。并網(wǎng)條件是當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)斷路器兩側(cè)的電壓差及功角在給定范圍內(nèi)時(shí),即可實(shí)施并網(wǎng)操作。完成并網(wǎng)后,并網(wǎng)點(diǎn)斷路器兩側(cè)的功角消失,系統(tǒng)潮流將重新分布。

差頻并網(wǎng)是指將兩個(gè)在電氣上沒(méi)有聯(lián)系的系統(tǒng)同步并網(wǎng)，如發(fā)電機(jī)準(zhǔn)同期并網(wǎng)或者兩個(gè)解列運(yùn)行的系統(tǒng)通過(guò)一回線路重新聯(lián)接；其特點(diǎn)是在同步點(diǎn)兩側(cè)系統(tǒng)之間不僅存在著電壓差、相角差,同時(shí)也存在著頻率差。由于有頻率差的存在,同步點(diǎn)兩端的功角差處在一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中,此時(shí)要求在電壓、頻率滿足要求的前提下同期裝置捕捉相角差為0的時(shí)機(jī)完成并網(wǎng)操作。

2 功率、相角差及同頻并網(wǎng)三者的關(guān)系

2.1 超高壓線路功角特性

假設(shè)超高壓線路為均勻長(zhǎng)線路，其等值電路如圖1所示。

假設(shè)線路首端為M，末端為N，線路全長(zhǎng)為l，以末端電壓、電流為參考電壓、電流，超高壓長(zhǎng)線路電壓的分布方程為[1]

Um=Uncoshγl+InZCsinhγl

(1)

式中：Um為首端電壓；Un為末端電壓；In為末端電流；ZC為線路波阻抗；γ為線路的傳播常數(shù)。

由于輸電線的電阻與感抗之比以及電導(dǎo)與電納之比均隨輸電電壓的提高而減小, 超高壓輸電線路的正序電抗一般是電阻的10～20倍, 通常可以忽略不計(jì), 即將其視為無(wú)損線[2]，無(wú)損線的波阻抗和傳播常數(shù)表達(dá)式分別為：

(2)

(3)

式中，L、C分別為輸電線路單位長(zhǎng)度的電感和電容。

由式(1)、式(2)、式(3)可得

Um=Uncosθ+jInZCsinθ

(4)

式中，θ=βl。

所以由式(4)可得超高壓線路的相量圖，如圖2所示。

圖2 超高壓線路相量

圖2中，δ為超高壓輸電線路的功角，即首端電壓超前于末端電壓的角度；α為末端電壓超前末端電流的角度。

所以，由圖2可得超高壓線路的功角特性方程為

UBC=InZCsinθcosα=Umsinδ

(5)

可得：

(6)

(7)

式中，Pn為超高壓線路傳輸功率。

2.2 功率、相角差及同頻并網(wǎng)三者的關(guān)系

同頻并網(wǎng)就是在已經(jīng)有了電氣連接的兩個(gè)系統(tǒng)間，再增加一回聯(lián)接線路，如圖3所示。在所有邊斷路器合閘時(shí)，在 Ⅲ 線將發(fā)電側(cè)與電力系統(tǒng)相連接的情況下，投入Ⅰ線，此時(shí)在E或F斷路器兩側(cè)電壓幅值不同、頻率相同，且兩側(cè)電壓間存在一個(gè)相角差。假設(shè)選取E斷路器作為并網(wǎng)點(diǎn)，相角差實(shí)質(zhì)就是正在運(yùn)行的Ⅲ線的功角δ，δ的取值范圍0°～90°。

圖3 500 kV主接線

所以由式(7)可得

(8)

式中:U1為Ⅰ線的線路電壓；U5為5B高壓側(cè)電壓或者母線電壓；P為Ⅲ線傳輸?shù)挠泄β剩籞1=ZCsinθ，為Ⅲ線的阻抗。

由此可知，線路傳輸功率P與功角δ的關(guān)系為正弦函數(shù)關(guān)系，從理論上來(lái)說(shuō)，功角δ的取值范圍為0°～90°，因此，當(dāng)傳輸功率P及阻抗Z1越大，則功角δ越大。無(wú)論是合環(huán)還是開(kāi)環(huán)操作，都會(huì)改變系統(tǒng)的潮流分布。當(dāng)合環(huán)時(shí)，新投入的線路總是會(huì)分擔(dān)一定的負(fù)荷，在新線路中形成沖擊電流。但是這與差頻并網(wǎng)不同，新投入的線路承擔(dān)負(fù)荷是增加線路投入的目的，形成沖擊也是不可避免的。

同頻并網(wǎng)的條件與差頻并網(wǎng)要求電壓、頻率、相角3個(gè)參數(shù)都相同的條件不同，因?yàn)橥l并網(wǎng)的功角是固定的(相對(duì)差頻并網(wǎng)的功角隨時(shí)間變化而言)，不存在差頻，只是需要檢測(cè)兩側(cè)電壓差。也就是說(shuō)，相對(duì)于差頻并網(wǎng)，同頻并網(wǎng)必然存在電壓差和相角差，能否并網(wǎng)成功，只是比較兩側(cè)電壓差與功角的大小而已；電壓差決定了無(wú)功功率通過(guò)新投入線路的潮流沖擊大小，功角δ決定了有功功率和無(wú)功功率通過(guò)新投入線路的潮流沖擊大小，這種沖擊實(shí)質(zhì)是系統(tǒng)潮流的突變性瞬時(shí)再分配。這種沖擊形成的巨大沖擊電流可能造成繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作跳閘，導(dǎo)致線路并網(wǎng)失敗。

3 案例分析

所述案例中，A水電站5臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，總功率為2400 MW，開(kāi)關(guān)站所有邊斷路器合閘，系統(tǒng)采用500 kVⅢ線單回線路送出2400 MW。500 kVⅠ線由B換流站側(cè)充電正常后，A水電站側(cè)自動(dòng)同期裝置因相角差無(wú)法滿足并網(wǎng)條件。通過(guò)故障錄波曲線，能夠得到此時(shí)500 kVⅠ線電壓與A水電站5號(hào)主變壓器(5B)高壓側(cè)電壓(即1M電壓)的相角差和電壓差，如圖4所示。

P=Ksinδ

(9)

將P=2400 MW，δ=11°代入可得K=12 578.02 MW。

根據(jù)式(8)可知，要使500 kVⅠ線并網(wǎng)成功，可以采取以下措施：

1) 減小500 kVⅠ線電壓與A水電站5號(hào)主變壓器(5B)高壓側(cè)電壓的相角差至定值10°以下。為防止并網(wǎng)沖擊電流過(guò)大，最好將相角差減小至盡量小，因此必須將線路輸出功率減小，但考慮涉及電網(wǎng)調(diào)度出力的調(diào)減，不宜將輸出功率減少過(guò)多。當(dāng)相角差為10°時(shí)，由式(9)可得P=2184 MW。

δ由0°～10°變化時(shí)，各值對(duì)應(yīng)的有功功率如表1所示。

表1 相角差與有功功率的關(guān)系

考慮到單機(jī)容量為600 MW，結(jié)合表1，最好將輸出功率調(diào)減600 MW左右。

2) 提高同頻并網(wǎng)相角差定值。由于定值提高后，并網(wǎng)瞬間的沖擊電流會(huì)比較大，此措施可能會(huì)造成繼電保護(hù)設(shè)備誤動(dòng)，將剛并網(wǎng)的500 kVⅠ線跳閘，甚至又造成在運(yùn)行的500 kV Ⅲ線跳閘，造成全廠失電的風(fēng)險(xiǎn)，因此建議不采用。

由上可得，面對(duì)線路輸送功率較大引起的并網(wǎng)相角差大于定值的情況，最好采取調(diào)減負(fù)荷的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)同頻并網(wǎng)。

當(dāng)調(diào)減600 MW負(fù)荷使輸出功率為1800 MW時(shí)，500 kVⅠ線并網(wǎng)一次成功，其并網(wǎng)瞬間波形及兩側(cè)電壓相量如圖5所示。

圖5 并網(wǎng)成功瞬間兩側(cè)電壓相量

由圖5可得，并網(wǎng)瞬間各相相角差為δa=8.296°、δb=8.208°、δc=8.184°。

由此可以進(jìn)一步驗(yàn)證輸送有功功率與功角之間的正弦函數(shù)關(guān)系。

4 結(jié) 論

在同頻并網(wǎng)中，影響并網(wǎng)成功的因素有同步點(diǎn)兩側(cè)相角差和電壓差。而在穩(wěn)定的電力系統(tǒng)中，兩側(cè)電壓趨于一致，電壓差較小，對(duì)于同頻并網(wǎng)的影響較小。相角差可以認(rèn)為是合環(huán)點(diǎn)另外正在運(yùn)行的半環(huán)的功角，其大小與系統(tǒng)阻抗和傳輸功率有關(guān)，代表了并網(wǎng)瞬間潮流再分配和并網(wǎng)沖擊的大小。對(duì)于確定的將要并網(wǎng)系統(tǒng)，由于系統(tǒng)阻抗確定，功角差只受正在運(yùn)行線路傳輸功率的影響。當(dāng)線路傳輸功率較大，從而引起相角差超過(guò)同頻并網(wǎng)功角定值，導(dǎo)致同頻并網(wǎng)失敗。因此，這種情況下最好采取調(diào)減傳輸功率的方式來(lái)解決并網(wǎng)失敗的問(wèn)題。