李君明，臧 狀，徐建源，滕 云

(1.丹東供電公司，遼寧 丹東 118000;2.沈陽工業(yè)大學，遼寧 沈陽 110870)

1 伊敏換流站故障情況

2011年1月2日，伊敏發(fā)電廠發(fā)生5053斷路器A相TA燒毀，連接TA與斷路器的母線脫落，脫落母線與互感器構(gòu)架搭接，造成A相接地故障，伊敏換流站5043斷路器與5042斷路器動作，此時檢測到伊敏換流站的母線Ⅰ電壓并未恢復(fù)，伊敏發(fā)電廠5052斷路器與5053斷路器動作，故障被隔離。由于接地故障并未消除，在伊敏換流站5043斷路器重合閘時，重合于永久性故障，5043斷路器上流過較大的短路電路。在伊敏換流站5043斷路器執(zhí)行跳三相操作的過程中，伊敏發(fā)電廠5052斷路器重合，伊敏換流站5043斷路器出現(xiàn)較大的直流分量，其A相未能熄滅電弧，導(dǎo)致后備保護動作，使伊敏換流站與5043斷路器相連的母線Ⅱ被隔離。圖1為伊敏換流站及伊敏電廠故障的示意圖。

圖1 伊敏換流站及伊敏電廠故障示意圖

2 5043斷路器2次故障電流問題分析

本文在分析伊敏換流站5043斷路器沒有成功切除故障的原因時，通過仿真分析并結(jié)合伊敏換流站提供的5043斷路器A相電流錄波圖，提出了2個導(dǎo)致其開斷失敗的關(guān)鍵原因:一是在故障發(fā)生到故障切除這段時間內(nèi)，伊敏換流站5043斷路器A相的短路電流比其重合閘時的A相電流小近10倍;二是伊敏發(fā)電廠5052斷路器重合閘后，伊敏換流站5043斷路器A相出現(xiàn)較為嚴重的零點漂移，流過5043斷路器A相電流的交流分量相對較小，而直流分量幅值相對較大，這是導(dǎo)致伊敏換流站5043斷路器開斷失敗的主要原因。

3 5043斷路器零點漂移問題分析

從5043斷路器A相電流錄波圖中可以看出，在伊敏電廠5052斷路器閉合后，交流分量相對較小且出現(xiàn)了較大的直流分量，使故障電流在很長時間內(nèi)不過零點，出現(xiàn)了零點漂移 (見圖2)。針對伊敏發(fā)電廠和伊敏換流站事故中的零點漂移問題，本文從3個方面進行研究:發(fā)生故障時的電壓相角對直流分量的影響;發(fā)電機阻抗的影響;故障點位置與斷路器配合的影響。

圖2 5043斷路器A相電流錄波圖

3.1 發(fā)生故障時電壓相角對直流分量的影響

根據(jù)短路電流的數(shù)學模型可以得出，影響短路電流直流分量的因素有交流分量的幅值、負荷電流(即故障前電流)、時間常數(shù)、電壓初相角和故障前電壓與電流的夾角，由于伊敏發(fā)電廠和伊敏換流站系統(tǒng)參數(shù)在接地故障過程中變化較小，即同一點發(fā)生故障，相同的斷路器操作方式下，以上影響因素變化不大，唯一對直流分量影響嚴重的是在故障發(fā)生時電壓的相角。本文針對伊敏發(fā)電廠及伊敏換流站，計算出了伊敏發(fā)電廠5052斷路器重合閘時，伊敏換流站5043斷路器中短路電流與電壓相角的關(guān)系，如表1所示。

表1中，φ為伊敏發(fā)電廠5052斷路器重合閘相角，Δt為短路電流首次過零時間，τ為短路電流直流分量衰減時間，inp0為直流分量初始值。從表中可以看出，故障時的電壓相角對直流分量的影響較大。當5052斷路器重合閘時，直流分量初始值、直流分量衰減時間及直流分量首次過零時間在伊敏換流站5043斷路器電壓相角為105°時均為最小，分別為0.246 kA、53.58 ms和8.64 ms，由于直流分量衰減時間小于20 ms，因此不發(fā)生零點漂移。

表1 5052斷路器重合閘時，伊敏換流站5043斷路器中的短路電流與電壓相角的關(guān)系

3.2 發(fā)電機阻抗對直流分量的影響

通過分析可知，導(dǎo)致伊敏換流站5043斷路器重合閘開斷失敗的主要原因是流過伊敏換流站5043斷路器的直流分量過大，而直流分量的大小與系統(tǒng)阻抗有關(guān)，發(fā)電機是系統(tǒng)阻抗的重要組成部分，因此研究發(fā)電機阻抗的變化對流過5043斷路器直流分量的影響是十分必要的。

3.2.1 發(fā)電機直軸同步電抗和交軸同步電抗對直流分量的影響

本文分別研究了改變發(fā)電機直軸同步電抗、交軸同步電抗及同時改變直軸同步電抗和交軸同步電抗對流過伊敏換流站5043斷路器短路電流的影響。

圖3給出了伊敏換流站重合閘開斷時，流過5043斷路器的故障電流的直流分量隨發(fā)電機直軸同步電抗的變化。仿真計算時，僅改變直軸同步電抗Xd，交軸同步電抗Xq保持不變。由圖3可以看出隨著發(fā)電機直軸同步電抗的增大，故障電流的直流分量呈減小趨勢，但幅值變化不大;直軸同步電抗增大到2倍以上時，故障電流的直流分量基本不變。

圖3 發(fā)電機直軸同步電抗對直流分量的影響

圖4給出了伊敏換流站重合閘開斷時，流過5043斷路器的故障電流的直流分量隨發(fā)電機交軸同步電抗的變化。仿真計算時，僅改變交軸同步電抗Xq，直軸同步電抗Xd保持不變。由圖4可以看出隨著發(fā)電機交軸同步電抗的增大，故障電流的直流分量呈減小趨勢，但幅值變化不大，最大值與最小值相差20 A左右。

圖5為當伊敏發(fā)電廠G5及G6發(fā)電機交軸、直軸同步電抗同時變化時，對流過伊敏換流站5043斷路器的故障電流的直流分量的影響，由圖5可以看出，隨著發(fā)電機交軸、直軸同步電抗的增大，故障電流的直流分量呈減小趨勢，最大值與最小值相差150 A左右，變化的幅度大于僅改變直軸同步電抗或交軸同步電抗的情況。

3.2.2 發(fā)電機飽和度對直流分量的影響

圖6 發(fā)電機飽和程度對故障電流直流分量的影響

發(fā)電機飽和程度與發(fā)電機直軸暫態(tài)電抗和交軸暫態(tài)電抗、直軸次暫態(tài)電抗和交軸次暫態(tài)電抗的值相關(guān)，隨著飽和程度的增加，電抗值隨之減小。因此，研究發(fā)電機直軸暫態(tài)電抗和交軸暫態(tài)電抗、直軸次暫態(tài)電抗和交軸次暫態(tài)電抗對故障電流的直流分量的影響，可以根據(jù)飽和程度進行研究。圖6給出了發(fā)電機飽和度變化與5043斷路器重合閘開斷時直流分量的關(guān)系。由圖6可見，發(fā)電機在飽和時，直流分量達到最小值6.902 kA，而在飽和前、不飽和、飽和與不飽之間及飽和后，故障電流的直流分量值基本一致;飽和時的最小值與其它4種情況下的直流分量幅值相差較大，為600 A左右，說明發(fā)電機直軸暫態(tài)電抗和交軸暫態(tài)電抗、直軸次暫態(tài)電抗和交軸次暫態(tài)電抗的值對故障電流直流分量的影響要大于發(fā)電機直軸電抗與交軸電抗值的影響。

3.3 故障點位置與斷路器配合對直流分量的影響

由于伊敏發(fā)電廠和伊敏換流站電氣連接的特殊性，在操作1臺斷路器時，勢必對其它斷路器產(chǎn)生影響［1］，例如操作伊敏電廠5052斷路器，而伊敏換流站5043斷路器出現(xiàn)零點漂移。本文以伊敏發(fā)電廠5052斷路器故障為參考，確定5051斷路器、5061斷路器和5063斷路器3個特殊的故障點，并依據(jù)5052斷路器與伊敏換流站斷路器的配合操作過程，確定各故障斷路器的配合情況，計算出3種情況下各動作斷路器的直流分量大小、首次過零時間及直流分量衰減的時間。3個故障點位置如圖7所示。

圖7 3個特殊故障點位置

3.3.1 伊敏發(fā)電廠5061斷路器故障

依據(jù)伊敏發(fā)電廠5052斷路器故障時的情況，當伊敏發(fā)電廠5061斷路器故障時，動作的斷路器應(yīng)為伊敏發(fā)電廠5061斷路器、5062斷路器、伊敏換流站5031和5032斷路器。結(jié)合伊敏發(fā)電廠和伊敏換流站一次接線圖，建立仿真模型。

伊敏發(fā)電廠5062斷路器重合閘時，直流分量在伊敏換流站5031開關(guān)的電壓相角為0°時初始值最大，首次過零時間最長，直流分量衰減時間也最長，表2給出了各斷路器的短路電流情況。

表2 伊敏發(fā)電廠5061斷路器故障時，各動作斷路器中短路電流

由表2可以看出，當伊敏發(fā)電廠5061斷路器發(fā)生故障時，各動作的斷路器中，伊敏換流站5031斷路器中的直流分量最大，達到6.894 kA，其短路電流首次過零時間更是達到了83.9 ms，發(fā)生了嚴重的零點漂移。雖然其直流分量比5043斷路器的直流分量小，但仍存在開斷失敗，導(dǎo)致斷路器燒壞，因此在設(shè)定伊敏換流站5031斷路器重合閘時應(yīng)引起注意。而其它動作的斷路器均未出現(xiàn)零點漂移，短路電流首次過零時間均小于20 ms，不會出現(xiàn)零點漂移，而且直流分量衰減時間也較小，因此不存在開斷失敗和斷路器燒壞的危險［2－3］。

3.3.2 伊敏發(fā)電廠5051斷路器故障

在伊敏發(fā)電廠5051斷路器處發(fā)生故障時，各斷路器的短路電流情況如表3所示。

表3 伊敏發(fā)電廠5051斷路器故障時，各動作斷路器中短路電流

從表3中可以看出，短路電路直流分量出現(xiàn)最大值的點是5061斷路器處，其直流分量首次過零時間為4.19 ms，經(jīng)計算，第2次過零時間為18 ms，未出現(xiàn)零點漂移。這是因為其交流分量幅值也較大，直流分量幅值仍小于交流分量幅值，因此不存在開斷失敗的危險［4－5］。其它斷路器處短路電流的直流分量較小，沒有出現(xiàn)零點漂移現(xiàn)象，也不存在開斷失敗的危險。

3.3.3 伊敏發(fā)電廠5063斷路器故障

在伊敏發(fā)電廠5063斷路器處發(fā)生故障時，各斷路器的短路電流情況如表4所示。

表4 伊敏發(fā)電廠5063斷路器故障時，各動作斷路器中短路電流

由表4可以看出，短路電流直流分量最大的點在5052斷路器處，直流分量首次的過零時間小于20 ms，并沒有發(fā)生零點漂移，其它斷路器處的短路電流首次過零時間也小于20 ms，也未發(fā)生零點漂移，因此，在伊敏發(fā)電廠5063斷路器處發(fā)生故障時，并不存在斷路器開斷失敗或者斷路器燒壞的危險。

表5列出了在不同故障位置，直流分量、短路電流首次的過零時間及短路電流衰減時間的最大值情況。

表5 不同故障點處短路電流直流分量最大值情況

從表5中可以看出，在伊敏發(fā)電廠5053斷路器和5061斷路器處發(fā)生接地故障時，會發(fā)生零點漂移，直流分量首次過零時間最長為87.5 ms，為斷路器重合閘整定值提供參考。

4 結(jié)論

a.伊敏換流站5043斷路器開斷失敗的主要原因是流過5043斷路器的短路電流直流分量的幅值遠遠大于交流分量幅值，使短路電流出現(xiàn)較長時間不過零點，導(dǎo)致斷路器滅弧失敗，而交流分量小的原因是伊敏發(fā)電廠和伊敏換流站斷路器間配合分流所致。此外，重合閘時的電壓相角對直流分量的大小影響較大。

b.發(fā)電機直軸同步電抗和交軸同步電抗都會對流過伊敏換流站5043斷路器上短路電流直流分量有一定的影響，但影響不大。

c.當伊敏發(fā)電廠的5061斷路器處發(fā)生接地故障時，與之相配合的伊敏換流站5031斷路器會出現(xiàn)零點漂移現(xiàn)象，存在開斷失敗或者斷路器燒壞的危險。當伊敏發(fā)電廠的5051或5063斷路器處發(fā)生故障時，與之相配合的斷路器不會發(fā)生零點漂移現(xiàn)象，因此也不會存在開斷失敗或者斷路器燒壞的危險。

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