浅析失步解列装置及应用

浅析失步解列装置及应用

王信

中国水利水电第十二工程局机电安装分局浙江323000

摘要：大电网的稳定运行是电力系统的基本要求，大电网中最严重的事故事稳定性破坏即系统发生失步振荡，如处理不当会发生大面积停电。当系统失步后，首先要解决的问题是从失步断面断开失步机群间的电气联系，消除系统振荡，然后通过切机、减载等措施实现解列后电气孤岛的稳定运行，最后当条件允许时，再逐步恢复整个系统的互联同步稳定运行。

关键词：系统振荡、失步解列、两机等值系统

一、概念阐述

在电网中，保证电力系统稳定的第三道防线由失步解列、频率及电压紧急控制装置构成，当电力系统发生失步振荡、频率异常、电压异常等事故时采取解列、切负荷、切机等控制措施，防止系统崩溃。

实际测量中，我们通常将振荡中心两侧母线电压相量之间的相角差从正常运行角度逐步增加并超过180°的现象定义为该系统已失去同步。

失步解列是电力系统稳定破坏后防止事故扩大的基本措施，在电网结构的规划中应遵循合理的分层分区原则，在电网的运行时应分析本电网各种可能的失步振荡模式，制定失步振荡解列方案，配置自动解列装置，即在预先选定的输电断面，以断开输电线路或解列发电厂或变电所母线来实现。按系统解列的不同目标，一般采用不同的起动方式。在选择系统解列断面时，应使解列后各部分系统分别保持同步和功率尽量保持平衡，并应考虑以最少的解列点和最少的断路器来实现。

二、基本原理和类型

电力系统失步时，一般可以将所有机组分为两个机群，用两机等值系统分析分析其特性。如图1所示两机等值系统电势向量图。Zm、Zn分别为装置安装处到两侧系统的等效阻抗。

图1

目前常用的有三种失步判据，以下分别介绍其原理：

1.视在阻抗轨迹判据（以南瑞继保RCS-993A失步解列装置为例）：

原理为当系统发生失步振荡时，装置安装处测量的阻抗值会随着功角的变化而变化，因此通过测量阻抗轨迹来判断失步。视在阻抗轨迹在阻抗平面上表现为6个区域，如图2所示，电力系统振荡时，测量阻抗轨迹沿曲线1、2顺次移动，加速失步时依曲线1的方向移动，减速失步时依曲线2的方向移动。

图2

2.视在阻抗角判据（以南京南电SSD-540U失步解列装置为例）：

相位角通过公式算出，系统振荡时，根据相位角的变化规律，将四个象限内的相位角划分为六个区（如图3）：1~2、2~90°、90°~3、3~4、4~270°、270°~1。系统正常情况下一般运行在Ⅰ区或Ⅳ区，把Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ-Ⅳ作为正方向判别区，把Ⅳ-Ⅴ-Ⅵ-Ⅰ作为反方向判别区，把Ⅰ-Ⅳ作为振荡中心判别区。

实际系统中的系统阻抗不是90°，因而在装置中将假定系统阻抗定为82°，并进行了角度补偿，这样用ucosϕ代表振荡中心更为准确、合理。

电力系统振荡时，测量点电压也随着呈现周期性变化，因此同时利用测量点电压最小值进行判别振荡中心距离装置安装处的远近，从而确定保护范围。

三、三种判据比较

1.视在阻抗轨迹判据反映了失步的两个系统功角变化，但是只能安装在振荡线路上，其动态特性才比较理想。实际系统发生振荡的情形千差万别，振荡中心也会变化，该判据容易受系统运行方式和网络结构的变化影响，且该装置整定比较困难。

2.视在阻抗角判据的优点是能够判断出失步中心的位置方向，能可靠地区分异步和同步振荡，能适应复杂的电网结构和多变的运行方式，但是当发生有功功率过零的现象或在电磁暂态过渡的过程中进入异步运行状态时，该判据会误判将同调机群间的非失步断面联络线断开。

3.ucosϕ判据的优点是与系统运行、电网结构无关，只反应测量线路所在断面的失步状态，且不需要用户提供判断失步的定值，但是该判据不能判别振荡中心的位置。

四、失步解列实际应用分析

我公司在近几年的施工调试中，接触到的失步解列装置基本是安装在电厂的出线位置，且并网线路较短，这类振荡基本发生在电厂经送出线路与主网振荡，振荡中心落在线路或升压变压器内，因此失稳特性主要影响电厂安全，根据GB/T26399-2011电力系统安全稳定控制技术导则，可采用解列机组或解列线路的措施，在电厂每条出线侧各配置一套失步解列装置。

考虑到振荡中心的确定性和用户的可操性，该类失步解列装置以RCS-993E为主流，如浙江正泰江山220MWp太阳能地面电站的220kV出线等光伏发电和衢江航运开发工程游埠枢纽工程的35kV二回出线等水利发电。

以游埠枢纽为例，该站安装了四台4MW的灯泡贯流式水轮发电机组，两机并一台变压器，出线为两条35kV线路，每条出线侧各配置了一套RCS-993E失步解列及频率电压紧急控制装置。每台装置接入各自线路的电流电压，当机组与系统发生失步时，由失步解列装置动作跳开该线路，将电厂与系统解列。

该装置定值仅有以下两个：

区域继电器低电压是专有的区域测量元件，用于整定解列装置的动作区。振荡过程中，随着EM和EN的夹角不断增大，母线电压的变化趋势如图5中椭圆所示。当两者的夹角增大到180度时，母线电压最小，这个值是由装置安装处到振荡中心的距离决定的，距离越近该值也越小。最低电压值的整定保证了相邻安装点之间失步解列装置的选择配合。

图5

振荡周期次数N：可取值范围为1-15，整定后可在失步后N个周期后出口跳闸。当时，由快跳段出口解列，快跳段可以测量180毫秒以上的失步周期；当时，由慢跳段出口解列，慢跳段可以测量120毫秒以上的周期。当振荡周期很短时，如快跳段不能动作，则由慢跳段在第二个振荡周期出口。

调试该功能我们使用的是广州昂立的微机继保测试仪AD461的功率振荡菜单，具体参数设置如下表：

设置完毕后，启动菜单，测试仪自动进入故障状态，装置动作，结果正确。

结束语

国外一些因某个故障扩大化而引起大面积停电的事故屡屡告诉我们当系统失步时及时选择切断面并停机、切负荷是非常关键的。发电厂的失步解列装置一般只关注电厂变压器至输电线路，但是这段线路的振荡故障如果处理失当，很可能引发事故扩大化而造成更大的损失。因此了解失步解列的工作原理并选择合理的定值和跳闸方式是很有必要的。

参考文献：

[1].陈春节，杨秀，顾丹珍.视在阻抗角失步解列判据的改进研究电网技术2013.04

[2].RCS-993E失步解列及频率电压紧急控制装置技术和使用说明书

[3].SSD-540U失步解列装置说明书

[4].GB/T26399-2011电力系统安全稳定控制技术导则，2011