火电厂线路区外故障对内部电气系统的影响仿真

火电厂线路区外故障对内部电气系统的影响仿真

张宁

国家电力投资集团黄河西宁热电有限责任公司 青海省西宁市 810000

  [摘要]本项目是高原火力发电厂项目采用发变组、高厂变、励磁、启备变和输电线路与电力系统连接。在单机运行时，母线侧故障录波器和相关设备经常越限告警，提示显示区外接地故障导致，但由于变化量不足以达到保护定值或者持续时间较短，仅仅是故障录波器记录下了波形，是否长时间此类问题出现会对厂内系统造成如何的影响并不知道，也不确定此类问题是否是故障录波器报警的根本原因。因此采用PSCAD软件对厂内系统及线路侧进行模拟仿真，得出相关数据，为设备可靠运行以及厂内监测人员提供依据和参考。

关键词   区外线路故障  PSCAD软件仿真 

引 言

根据相关文献记载和国内对线路侧故障的仿真分析得出，一些区外故障会导致厂内设备的无法运行甚至是电机的跳闸，对于监测设备来说可以短期的监测其影响结果，目前来说现在使用的距离保护对线路侧故障造成的影响进行切机自操作，但是对于达不到定值而反复出现的系统冲击问题却无法得到实际的验证，根据本厂的实际情况来说，发变组保护的非全保护并未投入（故障判断期间，目前已经投入），所以此类线路故障问题是否会对发电机以及厂内系统有影响，影响程度等等都需要得到数据支持，所以本文根据这些情况对整个系统处于区外故障的冲击下进行仿真，得出有效结论，用于向相关人员解释说明。

1电厂参数介绍

1主接线图

电厂装机容量2*350MW，设置两台主变、两台高厂变、一台启备变以及单杆双回路接线方式连接。主接线示意图如图一。

图一  厂内主接线图

有两条线路进行输电，分别连接#1、#2机组，#1、#2机组包括主变、高厂变、以及发电机和励磁系统作为机组主要系统，另外厂用电系统用负荷代替。

2设备参数

表一  主要电气设备参数

2仿真情况介绍

（1）区外断相故障：模拟两台机组运行过程中，厂外线路中出现单相断相故障后对厂内系统的影响仿真。

（2）区外接地故障：模拟两台机组运行过程中，厂外线路中出现单相接地短路故障后对厂内系统的影响仿真。

（3）仿真中由于负载的简化并不会得出相应数据，因此本模型用到独立的励磁系统模拟发电机输出，其他用到的负载等效代替。

3模型的搭建

3.1仿真图

主模型结构

图二  仿真模型的主结构图

搭建的模型包括厂内及厂外系统，负载处用发电机代替。

发电机模型

图三 发电机系统模型

利用暂态励磁等模块对发电机励磁系统进行模拟。

发电机参数及额定电压电流量设置

图四  发电机参数以及额定电压电流的设置

3.2仿真结果说明：

3.2.1区外断相故障对厂内系统的影响

（1）输电线路功率,在区外断相故障发生后，输电线路的功率如图五所示 

图五 输电线路输送功率

区外断相故障发生后非故障相线路的功率会突然升高并缓慢恢复正常而故障相的功率会突然降低并保持低位，不会恢复。

（2）对母线330kV侧的影响

图六  厂内330kV母线侧三相频率和电压有效值（时间常数短）

可以从图中看出系统波形是有震荡存在的，单相频率波动到50.8Hz以上，电压波动到400V左右，频率恢复时间缓慢，电压在8s左右恢复到原来水平，而三相电的波形频率在0.5S左右恢复正常，可以看出电压明显降低，0.15s后逐步恢复，整个图形呈喇叭状，图中附带厂用电系统的波形，和母线波形类似，呈现喇叭状恢复，恢复时间在0.3S左右。

（3）故障相三相电压的波形

图七  故障相线路三相电压波形

  可以看出故障相在断相后，电流量的一相有明显的缺失，而其他相的波形受到影响整体降低，降低幅度在30%左右，0.04s内完成，而电压量在一相缺失后，除故障相外，其他相均不受影响。

（4）对厂用电系统的影响

图八  厂用电三相电压波形（时间常数长）

厂用电系统三相电压从图中可以看出在故障出现时有短暂的突增，随后恢复正常，突变额为0.1，时间在1S内，所有基本受影响不严重。2.区外单相接地短路故障对系统的影响

（1）输电线路功率,在区外断相发生单相接地短路故障后，输电线路的功率如图十一所示   

图九  区外接地短路故障输电线路功率波形

说明区外单相接地短路故障会导致输电线路功率的突然降低后又极具增加后恢复平衡。功率从350MW左右掉落到50MW左右后升高到430MW左右高度后恢复，持续时间3.3S左右，图中可知2.2s左右基本保持平稳并处于微调整过程，此种冲击对设备已经系统的运行有很强的影响。

（2）对330kV母线侧的影响

图十 母线侧故障相电压和频率的图

通过对比明显看出故障相频率和电压再出现接地故障时，随着频率的掉落电压明显下降在0.3s后迅速回升，影响程度近50%，影响时间有0.5s左右。

三相电压的图形

图十一  故障相三相电流电压波形

故障相损失近50%的电压和频率值，输电功率也损失近50%，0.13s左右开始恢复，持续时间0.5s左右。

（3）对厂用电系统的影响

图十二 厂用电系统三相电压

故障情况和上面的图形一样，这个是长时间常数，电压降落很明显。范围可能在3.5左右，幅度在36%左右，持续时间完全恢复在1s左右，0.5s左右可以基本保持稳定。

3.讨论不对称系统的正负序分量情况

  （1）模型图

图十三 不对称故障正负序分量模型图

该图用于模拟不对称故障发生时，线路中的正负零序分量的情况。

图十四  不对称故障 故障相电流正负零序分量

当区外发生故障后，线路侧的正序电流从0.55下降到0.19，,下降率达到67%左右，负序和零序电流从0升至0.19，升高率达20%,正序电流在1s后恢复正常，零序电流在0.1s后恢复正常。明显看出区外发生短路故障后正序电流的变化明显，负序和零序跟随变化，恢复时间在0.5内。负序的波动范围在0.19左右，时间在0.2s内。

结论：

通过仿真结果可以得出

1. 区外断相故障对厂内系统的影响不大，对厂用电系统基本没什么影响，波动基本在可控范围内，也同时可以较快恢复，基本对设备和系统来说影响不大。
2. 区外单相接地短路故障对厂内系统的影响较大，短时间的冲击会很明显，在母线侧的电压电流量冲击可达50%左右，根据故障时常，在3点多倍的时间内可以恢复正常，对机组的线路的冲击还是很明显的优势在于时间作用短，可以较快恢复，对系统来说还是可以保证稳定运行的；厂用电系统来说，冲击也是存在的，冲击幅度在36%左右，时间 1s上下，可以看出区外短路情况对厂内系统的影响还是比较大的，但是由于作用时间较短可以较快的恢复正常，所以系统还是可以平稳的运行，但是需要加强注意。
3. 故障相的正负序分量情况

可以看出正序电流下降严重，，所以接地故障电流损失严重，负序电流和零序电流均有上升，可以看出接地短路对系统的影响程度达到20%左右，是不小的冲击，由于该接地点对厂内系统来说处于较近的位置，分别为1。46KM、1.15KM处，所以受影响也比较明显，因此可以知晓，较远距离发生故障时，对系统的影响会有所降低。

4．根据以上分析得出线路侧故障录波器监测时出现的短时间电压电流量越限情况，是由于区外接地故障造成的影响，且随着故障相的距离以及持续时间来看，距离越远影响效果会越低，作用时间越短，影响效果越低，同时本文还参考了杆塔结构造成的相间互感量对系统的冲击影响，根据查阅文献后分析，由于本厂距离变电站的距离很短，所以对于线路上未进行换相而造成的电压电流量的变化基本没有，所以这种情况也被排除在外了。以上是本次模拟对厂内系统稳定运行存在的风险情况进行仿真及分析的结论，区外接地故障对系统的影响较大，短时间内需要厂内设备的抗冲击性能要达到要求，不会在试探冲击的时候出现误跳或者不跳的情况发生，因此对设备的性能提出了很高的要求，但是根据实际情况来看，设备的抗冲击性多数是符合设计以及实际要求的，并且该冲击也在保护定值范围外，所以一般不会造成很严重的跳机事故发生，可以保证机组的正常运行且不受区外故障的影响，同时也提出了对于区域电网稳定的重要性问题的关注。