1、类别静态稳定、暂态稳定、中长期动态稳定功角稳定、频率稳定、电压稳定时域仿真法、逐步积分法、李雅普诺夫直接法、等面积法分类依据系统承受干扰的方式和系统的动态过程系统失稳后物理特征稳定分析的数学原理0引言随着我国经济体量的快速增长，社会各领域的用电需求不断提升，电力的可靠供应已经成为经济发展的头等大事。供电企业必须切实落实保供电要求，持续保障电力系统这张大网持续、稳定、高效运转。但坚强电网可靠运行的关键不仅仅在于投产前的规划设计、一次设备的投资、调控的经济运行，更为重要的在于针对当前服役运行的设备按照“一切事故可以预防”的理念，加强运维，尽早提前发现设备缺陷并及时处理。例如，变电站断路器运行到一定
2、的年限之后，或多或少都会出现问题，断路器故障运行的频繁发生直接影响的就是地区供电的可靠性。随着运行检修专业一体化的推进，本专业检修人员仅仅局限于故障断路器退出运行之后再分析问题往往难以满足现阶段的电力生产要求，从风险辨识的角度，检修人员应随时保持N-1的思维方式，分阶段理解断路器故障运行对整个电网的影响，尤其是在继电保护专业方面，本级断路器误动或拒动导致越级跳闸时对电力系统暂态、稳态、潮流断面、导体元件温升等方面的影响，或者是故障运行的断路器在退运之后对电力系统全局或单点动稳定与热稳定的影响。现有文献大多是从检修专业的视角出发，总结断路器故障类型与断路器的检修要点，鲜有文献从原理剖析断路器故障
3、运行对系统暂态稳定的影响，并提出对应的解决措施。本文先系统性介绍扩展等面积法则，以便数据化衡量断路器故障运行对系统暂态稳定性的影响，再结合笔者多年的检修工作经验提出改进措施。1断路器故障运行的影响1.1研究背景及其意义中国南方电网建设的大功率电网是世界上为数不多的跨区域和远距离传输大功率电网之一，其超高压直流技术更是世界领先。交直流混合输电系统的互联在带来巨大经济效益的同时，其失去同步稳定的可能性也在增大。任何元件的故障都有可能引起事故范围扩大，使得电力系统陷入瘫痪的状态，比如2003年8月14日美加大停电事件、同年9月23日瑞典大面积停电事故。因此，为了有效避免此类事件的发生，寻求合适的数学
4、方法与评估手段，研究断路器故障运行后电力系统能否顺利渡过扰动带来的影响而达到新的平衡稳定有着重要意义。根据GB387552019电力系统安全稳定导则 中的定义，电力系统的稳定性可以分为表1中几类。虽然大系统之间有各种有效的安全稳定控制装置和应对突发状况的措施，但就电网突发的局部故障而言，变电站断路器故障运行是最为常见的电网薄弱环节，变电站断路器是检修次数最多的元件。由于现阶段电力系统对各级电力生产人员提出了更高断路器故障运行对系统暂态稳定的影响及其应对措施陈嘉健（广东电网有限责任公司江门供电局，广东 江门 529000）摘要：现阶段，社会的高速运转使得各行各业对电能的稳定供应要求越来越高，停电
5、引发的后果和社会舆论会造成极其严重的影响，因此时刻保持电力系统的稳定运行成为供电企业面临的严峻挑战之一。鉴于此，从检修专业的视角出发总结了运检一体化的意义，定量剖析了断路器故障运行对电力系统暂态、稳态、潮流断面、导体元件温升等方面的影响，并提出了相应的改进措施。关键词：断路器；故障运行；电力系统暂态；应对措施中图分类号：TM561文献标志码：A文章编号：1671-0797（2023）18-0075-03DOI：10.19514/32-1628/tm.2023.18.019表1电力系统的稳定性分类Shebei Guanli yu Gaizao设备管理与改造75的要求，现行的电力系统稳定性分析和控
6、制趋于复杂，很有必要加强对电力系统稳定性的研究与理解，因此本文仅选取电力系统暂态稳定进行研究。1.2电力系统暂态扩展等面积法则理论研究电力系统暂态稳定性衡量的是电力系统中某个元件发生故障或整个系统受到内外部大的干扰后，能否依靠自身的调控装置或者其他措施达到新的稳定运行状态。假如电力系统中所有发电机组在经历暂态过程后仍然保持同步运行，那么这个系统就是暂态稳定的。假如电力系统中所有发电机组在经历暂态过程后相互之间存在较大的相对转速或者系统直接发生低频振荡，那么这个电力系统暂态不稳定，可能导致系统的解列或瓦解，从而引发大面积的停电事故。根据表1中稳定分析的数学原理，时域仿真采用逐步积分法迭代微分方程
7、，主要依赖于模型的准确性，其规模过大，计算时间过长，只适用于实验室建模分析和离线计算，尚不适应安全分析和控制，目前主要在BPA程序和PSASP分析综合程序。李雅普诺夫直接法又只能面向自治系统的原理解释，而实际运行的电力系统本质上是非自治非线性的，目前该方法都没有严格的李雅普诺夫能量函数。等面积法则恰好适应在有穷元件的模型应用，在经典单机和多机电力系统中都得到了良好的运用。本文采用经典的二阶模型1，着重分析断路器先故障运行后切除某回高压输电线路后的系统，构建如图1所示的电力等值系统，假设发电机内电势相量为E啄，频率偏差为棕，负荷侧为U0毅，等值电抗为X移，发电机惯性时间常数为M，电磁功率为Pe，
8、机械功率为Pm，其数学模型为：d啄dt=棕，Md棕dt=Pe-Pm扇墒设设设设设设缮设设设设设设（1）假设线路中某种类型的故障发生后开始对系统计时，在tc时刻故障被切除，系统在故障前中后对应的功率特性曲线如图1中P、P、P所示。且故障前稳态发电机转子角为啄0，系统稳定平衡点发电机转子角为啄S，故障切除瞬间发电机转子角为啄c，系统失稳不平衡点发电机转子极限角为啄u。电力系统的安自装置和继电保护元件切除故障后，系统中发电机的电磁功率可以表示为Pe=PMsin啄，PM是功率特性曲线P的最大值。代入式（1），可得：d棕d啄=Pm-PMsin啄棕1M（2）然后对式（2）的两端进行分部积分，经过一系列运算
9、和合并整理，本文可以得到关于相平面上任一定点（啄a，棕a）的轨迹方程：12M（棕2-棕a2）=Pm（啄-啄a）+PM（cos啄-cos啄a）（3）如图2所示，假若故障发生后，系统的转子运动相图刚好处于封闭的轨迹上，计及系统阻尼的影响，系统趋于稳定。如果位于某个开轨迹上，纵使故障被及时切除，发电机与系统间将失去同步。实际上，由于轨迹方程的第一项具备暂态动能的基础雏形，按照拓展等面积法则，系统的加速暂态能量SA可以表示为：SA=啄c啄0乙（Pm-P）d啄（4）系统的减速暂态能量SB可以表示为：图1电力系统暂态直接分析法图2相平面曲线族示意图设备管理与改造Shebei Guanli yu Gaiza
10、o76SB=啄M啄c乙（P-Pm）d啄（5）因此，判别故障切除之后系统是否能达到新的暂态平衡点，可以由系统暂态能量的比较直接得出。若系统的加速暂态能量SA大于系统的减速暂态能量SB，暂态运行中系统会越过极限切除角而使得系统失去稳定；若系统的加速暂态能量SA刚好等于系统的减速暂态能量SB，暂态运行中系统达到临界稳定；若系统的加速暂态能量SA小于系统的减速暂态能量SB，暂态运行中系统总是在稳定状态。可以推得极限切除角的余弦值cos啄cm为：cos啄cm=Pm（啄M-啄0）+PMcos啄M-PMcos啄0PM-PM（6）如果线路装有重合闸装置，断路器故障运行之后会跳开本级线路，瞬时故障会重合成功再次
11、达到稳态运行，永久故障会再次跳开本级线路故障的断路器。重合闸的动作时间和充电时间会导致切除故障的时间延长，因此得到重要结论：系统想保持一直在极限切除角前运行，快速切除故障是保障暂态稳定的有效措施。要想达到这个条件，除了保障元件本身工艺水平优秀之外，运维水平和检修保持设备的高效运转也是关键因素之一2。2断路器故障运行的应对措施变电站断路器故障运行的原因大体可以分为两类，第一类是雷击、雨滴、受潮、鸟粪等外部原因，第二类是拒合故障、拒跳故障等与断路器自身机械结构或者电气回路相关的原因。由于第一类故障的发生有一定的偶然性，这里不再赘述，本文着重分析第二类故障3。拒合故障，指的是断路器在就地及远程控制方
12、式下发生拒绝合闸的故障现象。检修人员在对此情况进行分析时，最根本的做法在于判断出是电气回路故障还是机械故障，可以采用以下方法：1）检查断路器的内部线路是否存在绝缘破损、断线、受潮、漏电等现象；2）检查断路器的控制电源是否正常运行；3）检查控制开关与隔离开关，以便排除操作不当引起的拒合；4）检查传动结构是否有合闸线圈损坏、断路器内部卡滞等；5）检查合闸铁芯是否动作或者将控制开关置“0”位。总体来讲，对于检修工作而言，判断拒合故障的步骤如下：先确定断路器拒绝合闸的原因，然后结合断路器的类型采用合适的方法对电气回路、油压、气压进行检查。拒跳故障，指的是断路器在保护装置发出跳闸指令时拒绝跳闸的现象。这
13、类事故危害极大，尽管上级电源的后备保护可以切除大范围故障，但仍会造成事故范围的扩大，延长故障排除的时间，严重干扰电力调度人员进行事故处理和快速复电，甚至会导致电力系统崩溃。拒跳故障可分为操作回路电气故障和操作机构机械故障，在判别时可以采用以下方法：1）检查故障断路器指示灯光的情况，假如红灯处于常灭状态，则证明跳闸回路电气故障；2）检查故障断路器辅助触点有无接触不良问题；3）检查操作电源是否正常，跳闸铁芯动作是否异常；4）定期开展跳闸回路维护试验，对多年未动作的开关联合调度部门开展不停电传动试验，在二次侧给予跳闸的故障信号，检测断路器是否正常跳闸。3结束语断路器作为电能生产传输中不可或缺的设备之
14、一，其作用主要是对线路进行控制和在故障时可以正确动作，从而保障电网的稳定运行。因此，本文着重分析了断路器故障运行对电力系统暂态稳定的影响，剖析了保障暂态稳定的关键措施，结合检修专业的知识，减少断路器故障运行的概率，从而保障电力系统运行状态的稳定性。参考文献1 刘笙，汪静.电力系统暂态稳定的能量函数分析M.上海：上海交通大学出版社，2010.2 殷明慧，邹云.电力系统结构保持模型相关不稳定平衡点方法的理论分析J.中国电机工程学报，2003，23（8）：32-37.3 谭风雷，陈昊，张海华，等.基于机械和电气特性融合的高压断路器故障诊断方法J.东北电力技术，2022，43（7）：26-31.收稿日期：2023-05-22作者简介：陈嘉健（1991），男，广东江门人，工程师，研究方向：变电检修。Shebei Guanli yu Gaizao设备管理与改造77
