短路电流换路产生的直流分量问题分析

短路电流换路产生的直流分量问题分析
吴建云
【摘要】针对宁夏电网发生的一起罕见的因短路电流换路产生直流分量导致开关
分闸失败的事故案例,对目前电网继电保护配置和重合闸方式进行深入分析,提出了
调整线路重合闸方式的解决方案,并在宁夏电网中进行应用.应用结果表明:该方法有效解决了因短路电流换路产生的直流分量问题.
【期刊名称】《宁夏电力》
【年(卷),期】2017(000)005
【总页数】6页(P55-59,63)
【关键词】短路电流;直流分量;分闸失败;重合闸
【作者】吴建云
【作者单位】国网宁夏电力公司电力调度控制中心,宁夏银川, 750001
【正文语种】中文
【中图分类】TM773
目前，国内220 kV及以上线路均采用单相重合闸方式，固定时间无检定重合，经过多年运行，该方式在保障电网安全供电和可靠运行发挥了重要作用，但随着电网规模不断扩大，短路容量不断增大，直流分量对电网的影响日益突出［1］。

2016年5月，宁夏电网发生一起因线路两侧系统短路容量强弱相差较大，开关重合时
间不一致造成换路产生的直流分量问题，直流分量较大造成断路器无法灭弧，开关分闸失败，故障由母线失灵保护动作切除，事故造成开关机构损坏，故障范围扩大，
对电网造成较大影响。

2016年5 月，宁夏电网发生一起罕见的因短路电流换路引起的直流分量问题，事故造成开关损坏，事故范围扩大。

故障发生前系统运行方式如图1所示，±660
kV银东直流额定输送功率为4 GW，京能电厂装机容量为1.32 GW，京川I、II
线线路配置RCS-931BM、CSC-103C保护，银川东换流站7531、7530、7532
成串运行，京能电厂侧7521、7520、7522成串运行，边开关重合闸时间为0.6 s，中开关重合闸时间为1.2 s。

事故起因为银川东换流站7530开关B相靠近Ⅰ母线侧CT下端盆式绝缘子对地放电，由于故障点位于银川东换流站7530断路器B相靠近Ⅰ母线侧，7530开关
CT布置于开关断口两侧，因此故障点在川京Ⅱ线和川灵Ⅱ线线路保护范围内，750 kV川京Ⅱ线和川灵Ⅱ线两套线路差动保护均动作跳开线路两侧故障相，经过0.6 s左右延时后，两侧线路对应边开关重合于永久故障，线路保护加速段动作，
跳开川京Ⅱ线和川灵Ⅱ线两侧对应的边开关与中开关，在川京Ⅱ线7522开关重合于永久故障时刻，线路保护在加速段动作跳开7522开关时，由于7522开关失灵，最终引起京能电厂侧750 kVⅡ母失灵出口跳开Ⅱ母所有连接开关，切除故障。

图2为京能电厂侧开关先重合后的故障电流流向，由于川京II线两侧单相重合闸
时间不一致，银川东换流站侧晚于京能电厂侧重合，在京能电厂7522开关先合闸时，系统与发电厂一起通过经川京I线向故障点提供短路电流（流经电厂侧开关短路电流较大，约为22 kA）。

图3所示为线路两侧开关均重合后的故障电流流向，在银川东换流站侧7531开关合闸时，京能电厂侧7522开关还未分闸，此时系统提供的短路电流主要通过银川东换流站侧开关流入故障点，京能电厂侧提供的短路电流较小（2.5 kA），流过电厂侧开关的短路电流工频分量突降，产生较大直流分量［2］，且银川东换流站侧开关在短路电流峰值时重合，故障电流最大，直流分量最严重［3］。

通过对故障机理分析，京能电厂7522开关分闸失败导致断路器重合于故障后分闸失败原因有以下4方面：
（1）联络断面两侧系统的短路容量存在较大差别（系统特性）；
（2）短路电流直流分量衰减时间常数大［4］，特别是发电厂近区（系统特性）；（3）两侧开关重合动作不一致：弱系统侧先重合、强系统侧后重合（概率分布）；（4）后重合的时机：短路电流峰值处重合，直流分量最严重［5］（概率分布）。

两回及以上并联线路两侧系统短路容量相差较大时，当故障线路重合于永久故障，由于目前220 kV及以上线路均采用单重无条件重合方式，重合闸实际时间存在一定离散性，两侧重合闸时间并不完全一致；如果系统短路容量较小侧断路器先合，此时全部短路电流均流过先合侧断路器，系统短路容量较大侧断路器合闸后，较大的故障电流由先合断路器转移至后合断路器，因系统电感元件存在，电流不能发生突变［6］，会在先合断路器中产生较大的直流分量，且系统短路容量较小侧提供短路电流较小，较大的直流分量叠加一个较小的周期分量，导致断路器出现电流没有过零点、无法灭弧情况［7］，最终靠失灵保护动作延时切除故障［8］。

在电网运行中，因直流分量问题并未直接引发安全问题，因此在短路电流计算、运行方式安排和保护配置等方面并未考虑直流分量问题［9］。

该问题普遍存在于220 kV及以上电网中，因发生概率低，一直未受到关注。

类似故障案例在国内外均比较罕见，相关研究及对策在国内外目前均没有较为成熟的经验可供借鉴。

文献［10］中对东北电网发生的类似故障进行了分析，这是国内外仅有的类似案例，
但该文中未提出结合实际的具体解决方案。

根据以上分析结果可以看出，因系统短路容量差别、短路电流直流分量衰减时间常数为系统固有特性［11］，开关合闸时的短路电流为概率分布，以上3个因素均
无法改变，只能通过调整两侧开关重合动作行为来解决直流分量问题［12］。

因此，为避免电网再次出现类似上述故障，需要解决如下问题：
（1）解决不同主接线方式线路的重合闸实际重合时间存在的离散性问题，防止出现重合闸时间不一致造成短路电流换路产生直流分量。

（2）在投入单相重合闸检三相有压功能时，需考虑相关保护配置、保护逻辑及特殊接线方式下重合闸功能的适应性问题，避免出现其他隐患。

因目前国内220 kV及以上线路均采用单相重合闸无条件重合，为解决该方式下的重合闸时间不一致导致的直流分量问题，通过调整线路重合闸方式［13］，固定
一侧后合，可有效解决该问题。

因不同主接线方式下的保护配置及运行方式不同，需根据线路接线方式不同、保护配置不同，采用不同的实现方法［14］。

2.1.1 线路两侧为双母接线方式
对于两侧均为双母接线的线路，采用弱系统侧重合闸时间延迟0.3 s的方式。

线路弱系统侧重合闸方式通过延时固定后重合，为确保在线路发生永久性故障时先重合侧（强系统侧）重合于故障跳闸后，后重合侧（弱系统侧）不再重合直接跳闸，避免后重合侧再次重合对电网造成冲击，需线路保护具备重合于永久故障的联跳功能［15］。

对于线路保护不具备联跳功能的线路，弱侧重合闸退出［16］。

对双回或三回线
路并网的电厂、终端变，在线路检修仅单线运行方式时，为提高供电可靠性，投入运行线路重合闸［17］。

2.1.2 线路一侧为3/2接线，另一侧为双母接线
在3/2接线侧投入单重检三相有压功能。

投单相重合闸检三相有压功能侧线路需
配置线路三相PT，且保护装置具备单重检三相有压功能［18］。

在线路发生单相故障时，线路两侧保护动作单相跳闸，双母线侧因重合闸不检（检同期、检电压），经固定延时后自动重合，若为永久性故障，则双母接线侧后加速保护动作跳三相，3/2接线侧因重合闸投入检三相有压功能，线路三相有压条件不满足，开关不再重合，由对侧联跳或开关三相不一致保护动作跳三相；若为瞬时性故障，则双母接线
侧重合成功，3/2接线侧在经过重合闸延时后检线路三相均有电压，满足条件重合。

对于保护装置不具备单重检三相有压功能的线路，采取弱系统侧重合闸时间延迟0.3 s的方式，同时，要求线路保护具备差动联调功能，若不具备则需退出弱侧系
统线路重合闸，在线路检修仅单线运行方式时投入［19］。

2.1.3 线路两侧均为3/2接线方式
对于线路两侧均为3/2接线方式的线路，在一侧投入单重检三相有压功能［20］。

若两侧断路器保护均不具备单重检三相有压功能，考虑线路重合闸时间与三相不一致保护时间配合，采取弱侧重合闸时间长于强侧最长重合闸时间0.1～0.2 s的措施。

因已经过仿真验证，在短路容量小的一侧发生故障、短路容量大的一侧先重合的情况下，开关无法分闸的风险极小，因此仅需躲过强侧系统重合时间即可［21］。

2.2.1 线线串接线中断路器保护无法满足2条线路均实现单重检三相有压功能
部分断路器保护装置只具备一路三相电压和一路单相电压输入，只能实现其中1
条线路单重检三相有压功能。

因此，对于3/2接线方式变电站，在同一串2条线
路均需在本侧投入单重检三相有压功能时，因中断路器保护配置只能实现1条线
路的单重检三相有压功能，因此无法同时在本侧采取单重检三相有压重合［22］，需通过2条线路在不同侧实现单重检三相有压功能，或延长弱系统侧线路重合闸
时间解决。

2.2.2 单重检三相有压逻辑不满足要求
图4所示为部分断路器保护的单重检三相有压重合逻辑，具体逻辑为在线路三相
均有压后，再进行单重时间计时。

如这种情况下投入单重检三相有压功能，则后重合侧重合闸时间无故延长，易造成与三相不一致保护时间失配。

在这种逻辑情况下，如将投单重检三相有压侧的重合闸时间改为0 s（或0.1 s），则在开关偷跳时，
重合闸时间不满足要求［23］。

因此，需对保护装置进行升级或更换，更换后逻
辑应如图5所示，将单重检三相有压功能逻辑改为：线路检三相有压和单重延时
同时进行逻辑判断，均满足条件后经单重延时出口。

2.2.3 与单回终端站线路同串时存在单相故障无法重合问题
图6所示为线路与单回终端站线路同串的主接线，当须投入3330开关单重检三相有压的330 kV线路（II线）与终端站单回并网线路（I线）同串时，在边（3331）开关检修方式下，若线路发生单相故障，则因终端站侧线路开关重合成功后线路仍不是三相全电压，造成中开关无法重合。

对于经双回线路并网的终端站在系统侧投入单重检三相有压时，也存在同样的问题［24］。

因此，需通过在线路（II线）
另一侧投入单重检三相有压功能，或采取延长弱系统侧线路重合闸时间解决。

上述直流分量问题解决方案已在宁夏电网中进行了实际应用，对宁夏电网220 kV
及以上可能存在直流分量问题的68条线路进行了重合闸方式调整，达到了预期目标：
（1）通过对重合闸方式的调整，实现了固定线路一侧重合闸后合，有效解决了重合闸时间不一致造成短路电流换路产生的直流分量问题。

（2）通过对保护配置、保护逻辑等细节问题的分析，提出的保护功能、逻辑升级等解决方法，提升了投入单相重合闸检三相有压功能时的保护适应性，杜绝了次生隐患的发生。

（3）2017年8月220 kV西吉甲、乙线相继发生故障，两侧线路重合闸均正确
动作，未发生直流分量问题，验证了该方案的正确性和合理性。

（1）采用单相重合闸无条件重合方式的线路，在两回及以上并联线路两侧系统短路容量强弱相差较大时，线路发生单相永久故障后，存在因两侧重合不一致产生直流分量导致开关无法分闸的风险。

（2）通过调整重合闸方式固定线路一侧重合闸后合，可有效解决故障直流分量导致断路器无法分闸问题。

对于3/2接线方式，采取在线路一侧投入单重检三相有
压方式解决；不具备单重检三相有压功能的线路，若保护具备联调功能则采取弱侧系统延长重合时间的方式解决，线路保护不具备联跳功能则采取弱侧系统重合闸停运的方式。

（3）本文首次提出了针对短路电流换路产生直流分量问题的解决方案，并在宁夏电网应用，对于在全国范围内解决220 kV及以上电网故障直流分量问题提供了解决方案，具有重要的工程应用价值。

【相关文献】
［1］袁洪平,李冬根.短路电流对高压断路器及其开断电流选择的影响[J].江西电力,2009(01):42-45. ［2］CATLETT R,ANDERSON J,CHASSEREAU L.Threecycle breaker applications[J].Industry Applications Magazine,2005:44-49.
［3］Syed alarm Abbas.A New Fast Algorithrm to Estimate Real-Time Phasors Using Adaptive Signal Processing[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2013,28(2):807-815. ［4］ALI Hooshyar,MAJID Sanaye-pasand.Accurate Measurement of Fault Currents Contaminated With Decaying DC Offset and CT Saturation[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2012,27(2):773-783.
［5］朱声石.高压电网继电保护原理与技术[M].3版.中国电力出版社，2005，4.
［6］林集明,顾霓鸿,项祖涛，等.特高压系统中的短路电流直流分量与零点漂移[J].电网技
术.2006(24):1-5.
［7］刘小浩,刘旭,李健，等.直流分量时间常数对断路器非对称开断性能影响分析[J].电工电
气,2016(8):47-50，58.
［8］黄绍平,金国彬,李玲.750 kV输电线路单相重合闸仿真研究[J].湖南工程学院学报(自科版),2010,20(2):1-4.
［9］GB 1984-2014.高压交流断路器[S].中国标准出版社，2014.
［10］孙正伟,孙羽,鲍斌.500 kV线路单相重合闸事故分析及对策[J].电力系统自动
化,2015,21(39):158-164.
［11］曹炜,王永生,张文青,等.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.
［12］李兆伟,贺静波,方勇杰,等.计及暂态稳定约束的电厂送出系统重合闸时间整定方法研究[J].电力系统保护与控制,2014(2):116-120.
［13］CHO Yoon-Sung,LEE Chul-kyun,JANG Gilsoo,et al.An innovative decaying DC component estmation algorithm for digital relaying[J].IEEE Transactions on Power
Delivery,2009,24(1):73-78.
［14］Zhang JM,Yan JDJ.Effects of DC Component in Asymmetric Fault Current on the Thermal Recovery Charac-teristics of an SF6Autoexpansion Circuit Breaker[J].IEEE Transactions on Plasma Science,2014,42(8):2117-2123.
［15］Wang ZJ,Wang YW.Application of DC component to select fault branch in arc suppression coil grounding system[J].Journal of Coal Science and
Engineering(China),2013,19(3):396-401.
［16］曹荣江,顾霓鸿,盛勇，等.短路电流中带有直流分量时的交流高压断路器燃弧时间差的概率分布特性[J].高压电器,1994(4):8-13.
［17］李建华,黄志龙,刘蓓.500 kV母线短路故障的分析[J].华东电力,2009(7):1166-1170. ［18］周沛洪,戴敏,娄颖,等.1000 kV交流断路器开断电流的直流分量时间常数和零偏现象[J].高电压技术.2009(4):722-730.
［19］安晓龙.海油平台电力系统短路电流直流分量分析[J].电气开关,2016,54(2):13-15. ［20］罗为.电力系统断路器遮断容量实时校核研究[J].华东电力,2004(04)：17-19.
［21］殷可,高凯.应用串联电抗器限制500 kV短路电流分析[J].华东电力，2004（9）:7-10. ［22］YU CS,CHEN WH.Removing decaying DC component in fault currents via a new modify discrete Fourier algorithm[J].Power Engineering Society General Meeting,2005，1:728-733.
［23］黄俊.特高压输电线路故障特性研究及断路器失灵保护的改进[D].重庆大学,2008.
［24］蒲如兰.短路电流中的周期分量和非周期分量对高压断路器运行状态的影响[J].福建电力与电工,1994(2):4.。