厂用电低压交流接触器性能对交流电网稳定性影响分析

朱建华，厉志波，刘 震，祁晓笑

(1.润电能源科学技术有限公司，郑州 450000； 2.国网新疆电力有限公司电力科学研究院，乌鲁木齐 830011)

0 引 言

哈密-郑州±800 kV特高压直流工程(简称天中直流工程)的投运增加了疆电外送的输送能力，对东疆过剩的新能源形成良好的消纳通道。近年来围绕着提高天中直流通道输送极限的问题，国家电网公司采用配置调相机[1]、改造配套火电机组的辅机电压耐受能力[2]、提升直流近区风电机组的耐受高、低压穿越能力[3]等措施，有效提升了天中直流送端电网直流换相失败的耐受能力。

直流近区逆变侧交流高压母线发生短路故障时，会引起直流换相失败，造成送端系统有功大量过剩，有功不平衡。其次，直流运行时交流母线配套有大量的交流滤波器，直流换相失败也会导致无功大量盈余，电容器无法迅速切除，交流侧电网出现严重的过电压。为保持交流电网稳定，更好抑制直流换相失败期间引起的过电压，一般采用快速无功补偿设备来抑制换相失败产生的过电压[4-6]。与此同时，交流母线故障时，直流近区的配套火电机组的强励功能动作。由于火电机组配置有大量高压辅机，这些高压辅机遭受暂态过电压扰动后会先于发电机脱网，进而导致配套机组脱网。为避免此类事件发生，文献[7]对火电重要辅机耐受极端电压能力做出专门规定，但对火电400 V母线的交流接触器性能未做出规定，主要原因是400 V母线交流接触器数量众多，且多数接触器对系统影响有限，但少数交流接触器跳开会导致机组脱网。已有主网故障产生的暂态电压传递至低压系统侧，进而引发大范围的低压脱扣器误跳闸，致使用户重要负荷损失[8-10]，但关于交流接触器性能对大电网稳定性的研究较少。

目前交流接触器的研究属于配网研究范围，文献[11]将交流接触器对电压暂降的影响进行了仿真分析，该模型考虑了接触器的机械结构，更加准确地模拟了交流接触器的物理特性。文献[12]考虑了交流接触器的非单调特性。文献[13]研究了电压暂降起始点对交流接触器动作特性的影响。文献[14]选取了多个厂家的接触器进行了试验研究，使得研究模型更有通用性。文献[15]建立三维交流接触器模型，更准确模拟交流接触器性能。上述文献将交流接触器对暂态电压响应进行多维度的研究，但关于交流接触器暂态特性对大电网稳定性的影响鲜有涉及。

在上述文献基础上，考虑火电厂400 V母线接触器暂态特性对天中直流连锁反应的特殊影响。首先根据500 kV侧高压系统短路时400 V母线电压与高压侧参数、发电厂参数的关系，给出400 V母线电压与系统参数的关系；其次考虑到500 kV高压系统的短路故障切除时间及故障距离对400 V母线电压的影响，对400 V母线电压偏低导致交流接触器动作后的全厂失电逻辑进行梳理，论述了400 V交流接触器动作特性对天中直流系统的影响；最后在仿真平台上建立仿真模型，计算和对比考虑交流接触器前后的天中直流时域仿真波形。

1 发电厂厂用电模型

1.1 低压厂用电母线电压计算

天中直流的配套火电电源一般采用单元组接线，对应的厂用电接线图如图1所示。

图1 配套电源厂内简化接线图

图1中厂用电系统分为高压侧厂用电和低压厂用电。高压厂用电系统电压等级为6 kV或 10 kV。低压厂用系统电压为400 V。高压厂用电系统接在发电机出口母线上，低压厂用电系统通过变压器接在高压厂用电母线上。

当升压变高压侧发生短路时，发电机电动势可以认为恒定不变。短路时发电机机端电压为

UG=E′q-X′di″

(1)

式中：E′q为发电机暂态电动势；X′d为发电机暂态电抗；i″为短路时刻流过发电机的机端电流。上述3个变量均为以发电机电气量为基准的标幺值。

假设发电机至短路点之间的电抗为Xs，则短路电流的表达式为

i″=1/Xs

(2)

综合式(1)和式(2)，机端电压的表达式为

UG=E′q-X′d/Xs

(3)

当发电机机端电压下降时，厂用电母线电压也会随之下降。厂用电负荷中含有大量的电动机和变频器负荷，当电压下降时会呈现复杂的暂态效应。由于该文讨论的故障持续时间较短，所以忽略负荷的暂态效应，将模型中厂用电负荷等值为静态负荷，图2为厂用电负荷等值电路。

图2 厂用电负荷等值电路

400 V系统短路电流计算时应考虑电阻的影响，为简化计算，这里只考虑电抗对压降的作用。根据图2所示电路可以计算出低压厂用电母线电压UL值为

(4)

式中：XLG为高压侧负荷的等值电抗；XG为高压厂用变等值电抗；XLD为低压侧负载等值电抗；XD为低压厂用变的等值电抗。

实际中低压负荷仅考虑少部分重要负荷时，存在如下关系：

XG

(5)

考虑式(5)中电抗的对应关系，式(4)可以简化为

(6)

由式(3)、式(4)可知，在高压侧故障时，低压厂用电母线UL残留值与短路位置、发电机暂态电抗、高压侧厂用变电抗、低压侧厂用变阻抗、低压厂用电负荷水平密切相关。

1.2 400 V交流接触器

1.2.1 400 V交流接触器性能

文献[15]给出了交流接触器的三维模型，为简化分析，将三维模型简化为二维模型。交流接触器低电压耐受性能为

t≥50 ms
u≤0.5 (p.u.)

(7)

式中：t为故障切除时间；u为发生故障时的电压值。当400 V母线电压同时满足式(7)所示的条件后，交流接触器将动作跳开；否则，交流接触器保持合位。

1.2.2 500 kV侧故障对400 V母线电压影响

天中直流机组配套电源一般为660 MW级别机组，发电机阻抗X′d为0.27(p.u.)(以发电机容量为基准)，变压器阻抗Xt为0.18(p.u.)(以变压器容量为基准，S=750 MVA)，根据式(3)可以得出发电机高压侧短路时机端电压值约为0.42(p.u.)，而500 kV母线故障切除时间在90～100 ms之间，在高压侧故障切除后，所需的时间已大于式(7)所需的交流接触器跳闸条件，说明500 kV侧故障会导致400 V交流接触器跳闸。

当配套电源远端发生短路故障后，发电机侧的机端电压受影响较小。假设500 kV高压线路单位电抗值为0.27 Ω/km，配套电源机端电压值降至0.5 (p.u.)所需的线路长度为711 km。实际天中直流联络变500 kV母线距离电厂距离均小于100 km，所以可以判断天中换流站联络变500 kV母线发生短路后，会导致全部配套电源侧低压厂用电400 V母线电压偏低。

1.2.3 400 V交流接触器导致机组跳机逻辑

当母线电压降低至风机润滑油泵交流接触器动作范围内，工作段的交流母线接触器因低电压动作，动作时间为50 ms。而保安段的交流母线接触器也会因低电压动作，无法达到备用切换的作用，切换时间为50 ms。风机润滑油泵站跳闸后，会导致高压厂用段送风机、磨煤机动作跳闸，跳闸时间为100 ms。锅炉系统失去燃料供应后，触发主燃料跳闸，进而导致发电机逆功率动作，热工保护动作时间为400 ms。从接触器检测到低电压时开始计算，到发电机跳开主开关后所需时间为600 ms。

根据式(7)将400 V交流接触器和整厂跳闸逻辑简化为图3所示。

图3 交流接触器和整厂跳闸逻辑

由图3可知，交流接触器模型检测400 V母线电压，计算出400 V基波正序电压有效值，判断该电压是否同时满足小于0.5 (p.u.)和持续时间大于50 ms 的要求。满足该要求后，将延迟0.6 s对发电机高压侧断路器发出跳闸命令。延迟环节主要模拟交流接触器跳开后，电厂内6 kV段电机保护动作、热工逻辑判断和发电组保护动作所需时间。

2 接触器性能对天中直流稳定性影响分析

逆变侧交流母线发生严重短路故障后，会直接导致直流系统发生换相失败，送端交流系统随后出现有功和容性无功同时过剩，出现严重暂态过电压，系统频率也会出现明显上升。

直流工程由于交流断路器动作原因，故障后延迟0.2 s才能切除配套交流滤波器，导致交流母线电压在0.2 s后出现的暂态过电压最为严重，过电压最高值一般在1.15 (p.u.)左右。为保证有功平衡，在故障后0.3 s切除部分配套机组。剩余机组维持交流系统电压稳定和频率稳定。经过10 s调整过程后，系统频率在达到最高值后缓慢下降。

目前逆变侧交流故障导致直流换相失败后主要的稳控策略如图4所示。

因接触器耐受低压能力不足产生的连锁反应会导致直流近区的火电机组跳闸。直流近区的电源跳机会带来两种不利影响：一是给直流换相失败后的交流电网带来新的扰动，造成电网新的功率不平衡，需要重新平衡功率；二是直流换相失败后电压剧烈波动，需要直流近区电源的励磁系统提供电压支撑，而额外的电源跳机会将恶化系统电压的稳定性。

天中直流系统整流侧交流500 kV母线发生三相短路故障后，不会直接导致直流工程换相失败，对直流工程的扰动相对较小。在考虑交流接触器暂态电压性能后，500 kV母线故障可能会导致直流配套电源全部脱网。配套电源的脱网首先会导致系统频率快速下降，对应的直流工程需要紧急降功率运行。其次当配套机组脱网时，电网出现严重的无功过剩，导致交流母线电压严重越上限。

图4 直流换相失败后的连锁反应对比

3 仿真分析

在PSASP仿真平台上搭建天中直流工程的模拟系统，对直流换相失败的连锁反应进行对比分析。

目前PSASP中没有专门的暂态故障卡可用以描述因400 V母线低电压导致的切机故障，该文采用手动记录400 V母线电压降至0.5 (p.u.)时刻为t1，然后在切机卡中设置t1+0.6 s后延迟切除直流配套电源。

3.1 厂用电故障分析

以某实际电网中天中直流配套电源进行建模，参数发电机X′d为0.165，机组容量为660 MW，变压器容量为750 MVA，短路电压为20%，20%是指当变压器二次绕组短路，一次绕组流通额定电流而需施加的电压Uk与额定电压Un的百分比，对模型进行仿真验证。

在升压变500 kV母线上设置三相短路故障，故障持续时间为0.1 s。仿真模拟机端电压和400 V交流母线电压的变化过程。

为验证发电厂厂用电模型对故障造成暂态压降的影响，分别将发电厂厂用电负荷等值为静态模型和动态模型，其中动态模型选用PSASP中动态负荷模型，计算和对比两种负荷模型下的400 V母线电压变化趋势，如图5所示。

图5 负荷模型对厂用电电压跌落影响

从图5可以看出，两种负荷模型的400 V电压响应曲线差别较小，两条曲线在故障初期出现一定差异，差别基本在1 V以内，占额定电压的0.25%，说明负荷模型等值为静态负荷基本上是可行的。

3.2 整流侧交流系统故障仿真

选取2019年夏大负荷运行方式为仿真计算基础数据。模型假设和稳定性判断标准参考文献[16]。模型采用2019年潮流数据，天中直流输送功率为6 000 MW，在500 kV联络变交流母线侧设置三相接地短路故障，1 s故障，1.1 s切除故障。分别计算考虑和不考虑配套电源中400 V母线交流接触器暂态特性的情况，分析交流系统故障后新疆电网的连锁反应。

3.2.1 天中直流系统频率稳定分析

图6 送端故障下频率曲线对比

由图6可知，在不考虑400 V交流接触器暂态特性时，交流侧母线发生三相短路故障后，频率上升至最高值。故障切除后，频率逐步恢复至稳态值。在考虑400 V交流接触器暂态特性时，故障切除0.1 s后，由于交流接触器暂态性能导致配套电源被切除，频率下降至49.9 Hz，需要大约10 s时间才能缓慢恢复稳态。

3.2.2 天中直流系统电压稳定分析

交流母线故障后，在考虑和不考虑交流接触器暂态特性时，仿真得出的系统电压变化曲线如图7所示。

图7 送端故障下500 kV母线对比

交流母线故障后，在不考虑400 V交流接触器的暂态特性时，交流侧母线发生三相短路故障后，电压出现高频振荡。故障切除后，频率逐步恢复至稳态值。在考虑400 V交流接触器暂态特性时，由故障切除后0.1 s，交流接触器暂态性能导致配套电源被切除，母线电压下降至0.9 (p.u.)，10 s以上缓慢恢复稳态。

3.3 逆变侧交流系统故障仿真

逆变侧设置500 kV交流母线三相短路故障，1 s后直流换相失败，同时送端电网也受到直流工程换相失败的影响。

新疆电网主要机组投入一次调频功能，在直流换相失败后调节系统频率。1.2 s跳开换流站配套交流滤波器，1.3 s按照稳控策略切除配套电源[17]，直流换相失败后的系统频率变化曲线如图8、图9所示。

由图8可知，直流换相失败后由于短时有功严重过剩，导致发电机机组短时严重超频，频率最高值升至51.6 Hz。随着切除机组数量增加后，频率逐渐恢复到稳定。

由图9可知，直流换相失败后由于交流滤波器无法快速切除，无功过剩出现第一个高峰，新哈密换流站500 kV母线电压最高值1.12(p.u.)左右。0.5 s后，由于切除机组数量出现高峰，容性无功过剩出现第二个高峰，500 kV母线电压出现第二个峰值1.15(p.u.)。后续随着发电机欠励功能动作、静止无功发生器以及调相机的共同动作下，母线电压逐渐恢复平稳。

图8 受端故障导致直流换相失败的电源频率曲线

图9 受端故障导致直流换相失败的电源电压曲线

3.4 整流侧故障和逆变侧故障对比

整流侧交流系统故障后，并不会直接导致直流系统换相失败。在考虑交流接触器暂态特性后，直流近区的配套电源可能会连续脱网，导致短时有功严重不足。直流工程需要短时降功率运行，在一次调频长期调整后，逐步恢复稳态。整流侧交流系统故障对逆变侧系统影响相对有限，直流系统在故障后恢复过程中起到一定的缓冲作用。

逆变侧交流系统故障后，会直接导致直流换相失败。直流换相失败后导致送端电网有功和容性无功过剩。逆变侧则出现有功不足，急需电源的一次调频进行频率支持。但由于考虑交流接触器暂态特性后，直流近区的配套电源可能会连续脱网，受端电网可供调频的电源数量进一步减少，恶化了受端系统频率的稳定性。逆变侧交流系统导致的直流换相失败同样会导致送端电网无功和频率短时失衡，需要启动稳控策略去维持系统电压和频率稳定。在逆变侧交流系统故障过程和后续过程中，直流工程的连锁反应导致受端系统和送端系统都受到严重的冲击，直流工程在故障过程和过程后并没有起到类似送端交流系统故障的缓冲故障效应，而是将故障效应扩大化。相对而言，受端系统受到的冲击更为严重，因为考虑交流接触器暂态反应导致直流近区电源跳闸后，进一步拉大了频率不平衡程度。

4 结 语

1)以系统稳定为研究对象，仿真分析了400 V交流接触器在高压侧连锁故障后的关键作用，验证了交流接触器性能对电网稳定性的影响。

2)交流侧故障发生位置对天中直流的影响区别较大。当故障发生在整流侧时，很难导致交流换相失败，影响范围局限在东疆电网，对于直流的输送功率会造成短时影响。当故障发生在交流侧时，导致直流换相失败，对交直流侧形成严重的连锁反应。说明交流接触器性能研究对受端电网换流站附近的火电电源有着更为重要的意义。

3)仿真结果表明，与火电厂6 kV重要辅机类似，400 V母线重要负荷的交流接触器对系统稳定也有重要影响，需要对400 V重要接触器的性能进行试验和评估。可考虑参照6 kV重要辅机的低电压耐受性能，要求400V重要接触器的低电压耐受性能不低于6 kV辅机的低电压耐受性能。

4)对于能躲过高电压交流侧故障的交流接触器，可以继续使用；反之，则需要考虑在交流接触器加入时间继电器。时间继电器内部接入气囊式储能结构，并将动作延时时间设置为较长时间，能够躲过故障，保证低电压厂用电系统能够维持电厂稳定运行。