一起10 kV配電網(wǎng)合環(huán)倒電引起線路跳閘的事故分析

胡宏波，孟清譜，劉高飛，邵騰飛，趙小迪

(1.徐州供電公司，江蘇徐州221005；2.國華徐州發(fā)電有限公司，江蘇徐州221135)

當前配電網(wǎng)多采用雙向供電和多電源供電模式，當停電檢修或者故障時，通過合環(huán)操作，實現(xiàn)不停電轉(zhuǎn)移負荷，提高了供電可靠性和配網(wǎng)運行的經(jīng)濟性，而合環(huán)倒電也是配網(wǎng)調(diào)度正常操作和事故處理中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。合環(huán)過程中會產(chǎn)生合環(huán)電流，如果電流過大會造成保護誤動引起事故。

1 事故經(jīng)過

正常運行方式下，110 kV石橋變1號、2號主變分別由秦石725線、賀石715線供電，35 kV，10 kV均分列運行。220 kV賀村變10 kV分列運行，如圖1所示。

圖1 石橋變和賀村變主接線

2010年3月17 日，賀村1號主變檢修，負荷均由2號主變供電 （10 kV母聯(lián)100開關(guān)運行，101開關(guān)冷備用）。運方安排石橋35 kV負荷全部倒由2主變供電，10 kV負荷全部倒由1號主變供電（300和100開關(guān)運行，301和102開關(guān)熱備用）。15日晚23:48，地調(diào)告知賀村2號主變有失電可能，要求做好賀村10 kV負荷全部倒出準備。配調(diào)按照《市區(qū)電網(wǎng)檢修及異常運行方式安排》，由石橋10 kV賀橋線返送賀村10 kV母線。具體操作過程如下：00:44停用賀村賀橋線104開關(guān)重合閘；00:47合上賀橋線14開關(guān)；00:48石橋128開關(guān)過流三段保護動作跳閘，重合閘不成功；00:54配調(diào)下令拉開賀村賀橋線104開關(guān)；00:56石橋試送128開關(guān)，成功。

詢問現(xiàn)場得知石橋變128開關(guān)故障電流為960 A，超過其過流三段保護定值900 A，因此導致128開關(guān)跳閘。

2 配電網(wǎng)合環(huán)倒電分析

所謂配電網(wǎng)合環(huán)倒電，就是通過操作相應的聯(lián)絡開關(guān)（如變電所10 kV出線開關(guān)或線路柱上開關(guān)、開閉所、環(huán)網(wǎng)柜開關(guān)等），實現(xiàn)將1條或幾條線路負荷由另1條線路不停電帶供的方式。在合環(huán)過程中，配電網(wǎng)中可能產(chǎn)生極大的環(huán)流，下面對影響環(huán)流大小的因素進行分析。簡化的合環(huán)計算模型[1]如圖2所示，該模型將參與合環(huán)的變電所簡化為高壓側(cè)母線、變電所主變壓器、低壓側(cè)母線、合環(huán)線路及聯(lián)絡開關(guān)的典型合環(huán)情況，分析中的公式推導均為復數(shù)運算。

圖2 合環(huán)計算模型

圖中，U1，U2為參與合環(huán)的兩母線電壓；L1，L2為合環(huán)線路負荷（這里將合環(huán)線路上的所有負荷集中到一點）；S1，S2為其他線路負荷；K為聯(lián)絡開關(guān)（合環(huán)點）。

圖2可看作一兩端電壓大小不等、相位不同的兩端供電網(wǎng)絡，如圖3所示。此網(wǎng)絡又可等值于回路電壓不為零的單一環(huán)網(wǎng)，如圖4所示。

圖3 兩端供電網(wǎng)絡等值電路

圖4 等值環(huán)式網(wǎng)絡等值電路

此回路電壓不為零的單一環(huán)網(wǎng)中功率分布為[2]：

其中，UN為系統(tǒng)額定電壓?？梢?，兩端電壓不等的供電網(wǎng)絡中，各線段中流通的功率可看作是2個功率分量的疊加，其一為兩端電壓相等時的功率，即dU=0時的功率，由表達式可知，此功率與環(huán)網(wǎng)的對稱性有關(guān)。由單一環(huán)網(wǎng)功率分布的計算過程可知，其中不僅進行了一系列簡化，而且涉及等值電源功率、等值負荷功率等概念，因此，此功率值的大小還與系統(tǒng)電源點與合環(huán)點構(gòu)成的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，即合環(huán)開關(guān)兩側(cè)變電站10 kV母線對系統(tǒng)的短路阻抗有關(guān)。另一功率則取決于兩端電壓差值和環(huán)路總阻抗ZΣ=Z13+Z34+Z24，此功率稱為循環(huán)功率，如圖4以表示。的方向與的取向有關(guān)，若取，則c由節(jié)點1流向節(jié)點2時為正；反之，若取，則c由節(jié)點2流向節(jié)點1時為正。以上求出的環(huán)網(wǎng)中流通的功率，除以環(huán)網(wǎng)阻抗，即可以得到環(huán)網(wǎng)中流過的電流。

綜上所述，10 kV配電網(wǎng)合環(huán)電流與下列因素有關(guān)：

（1）合環(huán)開關(guān)兩側(cè)變電站10 kV母線電壓差。如果兩側(cè)變電站10 kV母線對系統(tǒng)短路阻抗差別不大，且兩側(cè)10 kV母線所帶負荷相當，該環(huán)流可用兩變電站10 kV母線電壓差除以合環(huán)線路阻抗得出近似值[3]。

（2）合環(huán)開關(guān)兩側(cè)變電站10 kV母線對系統(tǒng)短路阻抗不同產(chǎn)生環(huán)流。配網(wǎng)合環(huán)與輸電網(wǎng)絡密切相關(guān)，即使合環(huán)開關(guān)兩側(cè)變電站10 kV母線電壓相同，整個電磁環(huán)網(wǎng)較大時也將產(chǎn)生較大環(huán)流。

（3）環(huán)網(wǎng)的對稱性。由環(huán)網(wǎng)功率表達式中第一項可知，該值與合環(huán)開關(guān)兩側(cè)變電站10 kV母線所帶負荷、合環(huán)線路阻抗的對稱性有關(guān)。

3 徐州市區(qū)配電網(wǎng)合環(huán)倒電分析

配電網(wǎng)進行合環(huán)操作時，合環(huán)線路的兩側(cè)電源一般處于分列運行狀態(tài)，但其上一級電源（或者更上級電源）一定是并列運行的。徐州地區(qū)220 kV變電站都是并列運行的。

3.1 配電網(wǎng)合環(huán)方式

一般地，配電網(wǎng)合環(huán)的方式可分為如下3種，如圖5所示，圖中A，B，C分別為合環(huán)點。

圖5 配網(wǎng)合環(huán)方式

A：不同變電站10 kV母線出線間合環(huán)，且上級電源分屬于2個220 kV站，即1號、2號主變220 kV 1個系統(tǒng)。這種情況下環(huán)網(wǎng)較大，此時即使參與合環(huán)的10 kV母線電壓相等，合環(huán)電流也較大。

B：不同變電站10 kV母線出線間合環(huán)，但其上級電源為同一220 kV變電站出線，即2號、3號主變220 kV 1個電源，此種情況環(huán)網(wǎng)較小，2號、3號段母線電壓差較小時，合環(huán)電流也較小。

C：同一母線出線間合環(huán)，此時環(huán)網(wǎng)最小，相同條件下合環(huán)電流也最小。

徐州地區(qū)任莊、三堡2個500 kV變電站將地區(qū)電網(wǎng)分為兩大區(qū)，220 kV吳橋變投運后，將上述2個區(qū)域電網(wǎng)連接起來，至此整個徐州地區(qū)的220 kV站成為1個系統(tǒng)。

3.2 配電網(wǎng)合環(huán)規(guī)定

徐州市區(qū)配網(wǎng)調(diào)度規(guī)程中關(guān)于10 kV線路合環(huán)的規(guī)定如下。

（1）參與合環(huán)的線路必須相位相同，操作前應考慮合環(huán)點兩側(cè)的電壓差和相角差，必須確保合環(huán)后各環(huán)路潮流的變化不超過繼電保護、系統(tǒng)穩(wěn)定和設備容量等方面的限額。

（2）同一220 kV變電站 （220 kV母聯(lián)開關(guān)運行或主變由同一母線供電）所供110 kV變10 kV出線進行合環(huán)倒電操作時可不作特殊調(diào)整。

（3）其他情況10 kV線路進行合環(huán)倒電前，應停用線路一側(cè)開關(guān)重合閘：

①線路首端（末端）停電時，宜停用停電線路側(cè)開關(guān)重合閘；

②線路中間段停電時，應優(yōu)先考慮停用操作方便端開關(guān)重合閘（如有人值守或操作班駐守變電站、具備重合閘遠程投切功能的變電站）；

③優(yōu)先考慮停用系統(tǒng)短路阻抗較小一側(cè)開關(guān)重合閘。

因此，合環(huán)前，不僅要通過SCADA系統(tǒng)比較兩母線電壓值是否在合環(huán)允許范圍內(nèi)，還要和地區(qū)調(diào)度聯(lián)系，詢問上級電源是否為1個系統(tǒng)或1個電源，然后采取相應措施。

4 事故分析及實例驗證

4.1 事故分析

正常運行方式下，石橋2號主變由賀石715線路供電，與賀村2號主變同屬于220 kV賀村變電源，故石橋賀橋線與賀村賀橋線合環(huán)倒電時，環(huán)網(wǎng)較小，也即兩合環(huán)線路所在母線對系統(tǒng)短路阻抗差別較小，由上述理論分析可知，此時合環(huán)電流也較小。

上述事故前系統(tǒng)運行方式下，石橋1號主變由秦石725線路供電，而220 kV秦洪變與賀村變分屬于2個220 kV系統(tǒng)，僅在500 kV網(wǎng)絡中屬于1個系統(tǒng)，此時，石橋賀橋線與賀村賀橋線合環(huán)網(wǎng)絡較大，其所在母線對系統(tǒng)短路阻抗相差較大，這就使得合環(huán)電流增大，從而導致開關(guān)跳閘事故。

4.2 實例驗證

4.2.1 系統(tǒng)短路阻抗不同

從以上分析可知，此事故因合環(huán)線路所在母線對系統(tǒng)短路阻抗相差過大而導致。同樣地，110 kV花園變進線電源分別為110 kV九花739線、秦花728線，而220 kV九里山變、秦洪變分屬于不同區(qū)域，即花園變2臺主變500 kV 1個系統(tǒng)，此站10 kV兩母線出線進行合環(huán)時，即使兩母線電壓相等，合環(huán)電流也很大，也曾出現(xiàn)過開關(guān)跳閘的案例。為此，可通過改變系統(tǒng)運行方式來減小合環(huán)電流，即先將10 kV方式改為并列運行后，再進行兩段母線出線間的合環(huán)操作，因環(huán)網(wǎng)變小，合環(huán)瞬間電流也減小。

110 kV彭場變2臺主變500 kV 1個系統(tǒng)，兩段10 kV母線出線間合環(huán)倒電時，電流也較大。目前220 kV吳橋變投運后，上述問題已不復存在。不同環(huán)網(wǎng)情況下，110 kV彭場變兩段10 kV母線出線合環(huán)時電流的變化情況如表1所示。可以看出，合環(huán)線路所在母線電壓差值相差較小的情況下，環(huán)網(wǎng)較大時合環(huán)電流也較大。這就說明，10 kV配電網(wǎng)合環(huán)與輸電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，在實際工作中，不僅要熟悉配電網(wǎng)絡，對整個地區(qū)電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)也需明確。

表1 系統(tǒng)短路阻抗相差較大時合環(huán)電流變化

4.2.2 電壓差不同

環(huán)網(wǎng)大小不變、所在母線電壓差不同的情況下，10 kV吳農(nóng)線與西段一線合環(huán)的情況如表2所示?？梢姡?20 kV同一系統(tǒng)的條件下，同樣的2條線路合環(huán)，當合環(huán)線路所在母線電壓相差較大時，合環(huán)電流也較大。

表2 電壓差不同情況下的合環(huán)

應當注意的是，合環(huán)線路所在母線的相序和相位相同是合環(huán)的必要條件。220 kV九里山變電站10 kV母線相序與其他變電站相差達30°，盡管其10 kV出線與其他變電站有聯(lián)絡關(guān)系，也只能進行停電倒電。

5 預防措施

為避免合環(huán)操作時出現(xiàn)過大電流，導致環(huán)路繼電器動作跳閘，在實際工作中可采取以下措施：

（1）保證參與合環(huán)的變電站10 kV母線相序和相位相同；

（2）盡量滿足合環(huán)點兩側(cè)電壓值相同，可通過投退無功補償裝置或調(diào)解主變分接頭等來實現(xiàn)；

（3）參與合環(huán)的兩變電站10 kV母線對系統(tǒng)短路阻抗相差不宜過大，采用改變運行方式來實現(xiàn)；

（4）合環(huán)兩側(cè)負荷之和不能超過兩側(cè)開關(guān)額定負荷，否則即使條件滿足也不能互相替代；

（5）停用一側(cè)線路重合閘；

（6）對合環(huán)電流較大的線路進行操作時，需待有關(guān)操作人員到現(xiàn)場后才可操作。

6 結(jié)束語

通過一起配電網(wǎng)合環(huán)倒電引起線路跳閘事故，分析研究了影響配電網(wǎng)合環(huán)電流大小的因素，并通過實例進行驗證。下一步工作是充分利用Open3000強大的數(shù)據(jù)實時顯示、分析、計算功能，將其與配網(wǎng)PMIS相結(jié)合，開發(fā)研究配電網(wǎng)合環(huán)電流在線計算軟件，這將對配網(wǎng)安全可靠運行發(fā)揮更大的作用。

[1]葉清華.配電網(wǎng)合環(huán)操作的研究及專家系統(tǒng)的應用[D].南京：東南大學，2003.

[2]陳 珩.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析[M].北京：中國電力出版社，1995.

[3]李江華.淺析10 kV配網(wǎng)合環(huán)產(chǎn)生環(huán)流的原因及預防措施[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（8）：199-201.