配電網(wǎng)開閉站的合環(huán)操作理論分析

張 頔

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

0 引言

隨著北京市通州新城建設(shè)的快速發(fā)展，用戶對(duì)供電可靠性的要求不斷提高。不停電的合環(huán)操作轉(zhuǎn)移負(fù)荷是運(yùn)行操作的必然趨勢(shì)。正常運(yùn)行下，聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開;倒負(fù)荷或線路檢修時(shí)，合環(huán)操作將負(fù)荷進(jìn)行轉(zhuǎn)移，最大限度地減少用戶停電時(shí)間，提高了配電網(wǎng)絡(luò)的供電可靠性和靈活性［1］。但在合環(huán)操作時(shí)，合環(huán)瞬間將產(chǎn)生較大的沖擊電流，穩(wěn)定后電網(wǎng)中可能產(chǎn)生較大環(huán)流，這都將直接影響到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。10 kV龍湖開閉站由于兩個(gè)上級(jí)電源接地方式不同，造成較大合環(huán)電流，因此，合環(huán)操作前對(duì)合環(huán)電流進(jìn)行計(jì)算分析，使調(diào)度人員判斷合環(huán)后電流是否越限，快速準(zhǔn)確找出最佳合環(huán)路徑［2，3］。

1 合環(huán)電流的計(jì)算

1.1 合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流的計(jì)算

配電網(wǎng)合環(huán)潮流計(jì)算時(shí)，利用潮流計(jì)算出變壓器高壓側(cè)的電壓幅值、相角，合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)的電壓矢量差以及等值的環(huán)路阻抗，利用疊加原理與合環(huán)后出線負(fù)荷電流，即可方便快速地求出合環(huán)后的穩(wěn)態(tài)電流［4］。

如果已知開環(huán)運(yùn)行時(shí)開環(huán)點(diǎn)處兩端電壓，則兩端的電壓差也是已知的。若把合環(huán)運(yùn)行看作是在開環(huán)運(yùn)行的系統(tǒng)兩端點(diǎn)之間疊加一負(fù)的電壓源(如圖 1 所示［5，6］)，則可將合環(huán)運(yùn)行方式分解為開環(huán)運(yùn)行方式和具有一個(gè)電壓源的附加分量。

圖1 合環(huán)電流模型Fig.1 Ring current model

基于疊加原理，配電網(wǎng)合環(huán)后的穩(wěn)態(tài)合環(huán)電流有兩部分組成:

式中:Is為穩(wěn)態(tài)合環(huán)電流;Il為開環(huán)方式下的負(fù)荷電流;Ic為合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)電壓差引起的環(huán)流。Il的幅值取決于系統(tǒng)，配電網(wǎng)的功率因數(shù)一般取0.95。Ic可由式(2)計(jì)算:

式中:ΔU為合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)電壓矢量差;Z環(huán)為配電網(wǎng)與等值后的主網(wǎng)的環(huán)網(wǎng)總阻抗。實(shí)時(shí)潮流計(jì)算得到的變壓器高壓側(cè)節(jié)點(diǎn)電壓與合環(huán)節(jié)點(diǎn)到變壓器高壓側(cè)節(jié)點(diǎn)的總阻抗，通過(guò)潮流計(jì)算可得到ΔU。

1.2 沖擊電流的計(jì)算

暫態(tài)電流亦即沖擊電流，是指圖2中聯(lián)絡(luò)開關(guān)合閘瞬間通過(guò)其主觸頭的電流，沖擊電流計(jì)算模型如圖 2［7］。

圖2 沖擊電流計(jì)算模型Fig.2 Impact of current calculate model

一般情況下沖擊電流幅值高而持續(xù)時(shí)間短，如果合環(huán)沖擊電流過(guò)大，可能造成一次設(shè)備的損壞或繼電保護(hù)動(dòng)作(主要考慮西門半壁Ⅱ線兩側(cè)斷路器保護(hù)Ⅰ段電流值)。所以合環(huán)前計(jì)算沖擊電流，為調(diào)度運(yùn)行人員采取相應(yīng)對(duì)策提供理論依據(jù)是非常必要的。

電流分析可以證明，沖擊電流是由于合環(huán)電壓差造成，其計(jì)算值只與環(huán)路電氣設(shè)備參數(shù)有關(guān)，與環(huán)路中負(fù)荷大小無(wú)關(guān)。電力系統(tǒng)三相對(duì)稱，這里用單相等值進(jìn)行分析［8］。

以系統(tǒng)平衡點(diǎn)為基準(zhǔn)，E超前ΔU一定的角度φ，則合環(huán)電路方程的一階非齊次微分方程為

由上式可知，沖擊電流最大值出現(xiàn)在合環(huán)后半個(gè)周期，沖擊電流最大值為

2 合環(huán)電流仿真計(jì)算模型

2.1 電網(wǎng)模型

本例以10 kV龍湖開閉站為實(shí)例分析，電網(wǎng)系統(tǒng)主接線圖如圖3。110 kV半壁店站、110 kV西門站電源點(diǎn)為220 kV通州站和220 kV臺(tái)湖站，220 kV通州站通州站通過(guò)通門線和通門半支線(T接于通門線)帶110 kV半壁店站110 kV 3號(hào)母線和110 kV西門站110 kV 4號(hào)母線;臺(tái)湖站通過(guò)湖門線和湖門半支線(T接于湖門線)帶110 kV半壁店站110 kV 5號(hào)母線和110 kV西門站110 kV 5號(hào)母線。110 kV西門站和110 kV半壁店站正常運(yùn)行方式為110 kV母線和10 kV母線均分裂運(yùn)行，主變均不接地，10 kV側(cè)通過(guò)接地電阻或消弧線圈接地。10 kV龍湖開閉站正常運(yùn)行方式為10 kV 3號(hào)，4號(hào)，5號(hào)母線分裂運(yùn)行(4號(hào)母線不帶負(fù)荷)，3號(hào)母線電源側(cè)為110 kV半壁店站10 kV 3號(hào)母線;4號(hào)母線電源側(cè)為110 kV西門站10 kV 4號(hào)母線(熱備用，斷202);5號(hào)母線電源側(cè)為110 kV半壁店站10 kV 5號(hào)母線。

圖3 10 kV龍湖開閉站電氣主接線圖Fig.3 10 kV Longhu Switching Station electrical wiring diagram

合環(huán)前，系統(tǒng)正常運(yùn)行方式，合環(huán)前分析均以此電網(wǎng)模型為基礎(chǔ)。合環(huán)后，系統(tǒng)正常運(yùn)行方式為10 kV龍湖開閉站閉合201，202，234，斷開245。最終電網(wǎng)形成一個(gè)經(jīng)110 kV半壁店站～10 kV龍湖開閉站～110 kV西門站的電磁環(huán)，合環(huán)后分析均以此電網(wǎng)模型為基礎(chǔ)。

3 仿真計(jì)算結(jié)果

3.1 變壓器分接頭處于不同位置下的沖擊電流

由電氣接線圖3可知，通州220 kV系統(tǒng)經(jīng)110 kV西門站供4號(hào)母線，通州220 kV系統(tǒng)經(jīng)110 kV半壁店站供3號(hào)母線，在10 kV龍湖開閉站通過(guò)234開關(guān)合環(huán)運(yùn)行?；蚺_(tái)湖220 kV系統(tǒng)經(jīng)110 kV西門站供4號(hào)母線，臺(tái)湖220 kV系統(tǒng)經(jīng)110 kV半壁店站供10 kV龍湖開閉站5號(hào)母線，在10 kV龍湖開閉站通過(guò)245開關(guān)合環(huán)運(yùn)行。

由于正常運(yùn)行時(shí)10 kV龍湖開閉站3號(hào)、5號(hào)母線電壓U3，U5與西門站4號(hào)母線電壓U4不相等，原因?yàn)樯鲜鰞蓚€(gè)系統(tǒng)的電壓損耗不同、兩系統(tǒng)變壓器分接頭位置不同，特別與變壓器分接頭位置關(guān)系較大。

經(jīng)仿真，變壓器分接頭從－10%增加到+10%，環(huán)流有很大的不同，最大環(huán)流出現(xiàn)在變壓器分接頭在－10%檔，即相差－10%時(shí)，此時(shí)環(huán)流達(dá)0.815 kA(29.6%變壓器額定電流～0.895 kA(32.6%變壓器額定電流)。最小環(huán)流出現(xiàn)在變壓器分接頭在+2.5%檔(西門變0檔)時(shí)，此時(shí)環(huán)流為0.036 kA(1.29%變壓器額定電流)～0.039 kA(1.41%)。

最大運(yùn)行方式最大負(fù)荷(70%)與最小運(yùn)行方式最小負(fù)荷(50%)，環(huán)流相差很小，110 kV半壁店站1號(hào)變壓器平均相差1.73%，2號(hào)變壓器平均相差2.34%(變壓器額定電流)?？梢姯h(huán)流大小與負(fù)荷大小基本無(wú)關(guān)。

3.2 合環(huán)后發(fā)生接地故障對(duì)系統(tǒng)的影響

取110 kV西門站發(fā)生接地故障為例，研究合環(huán)對(duì)系統(tǒng)的影響。計(jì)算過(guò)程中，均未考慮相角，所得結(jié)果如表1～4。

表1 西門110 kV 5號(hào)母線故障全電流及序電流表Tab.1 Ximen 110 kV 5 bus bar fault current and sequence current

表2 西門110 kV 5號(hào)母線故障流過(guò)各側(cè)電流表Tab.2 Ximen 110 kV 5 bus fault current of each side

表3 西門10 kV 5號(hào)母線故障全電流及序電流表Tab.3 Ximen 10 kV 5 bus fault full current and sequence current

表4 西門10 kV 5號(hào)母線故障流過(guò)各側(cè)電流表Tab.4 Ximen 10 kV 5 bus fault current of each side

3.3 10 kV母線合環(huán)后的短路電流變化

110 kV 西門站4號(hào)母線，110 kV半壁店站3號(hào)母線，在10 kV龍湖開閉站通過(guò)234開關(guān)合環(huán)運(yùn)行，或110 kV西門站4號(hào)母線、110 kV半壁店站5號(hào)母線，在10 kV龍湖開閉站通過(guò)245開關(guān)合環(huán)運(yùn)行。

由于合環(huán)運(yùn)行環(huán)流的影響導(dǎo)致10 kV母線短路時(shí)，主變壓器短路電流會(huì)增大。

變壓器分接頭從－10%增加到+10%，短路電流會(huì)減小，從4.68倍到3.24倍。主要與變壓器分接頭的位置有關(guān)。合環(huán)后，短路電流由于環(huán)流的影響有所增大，但相對(duì)較小(最大6.3%，最小0.3%)。合環(huán)運(yùn)行對(duì)變壓器短路電流影響不大。

3.4 10 kV龍湖開閉站10 kV母線合環(huán)后的負(fù)荷分配

110 kV西門站4號(hào)母線，110 kV半壁店站3號(hào)母線，在10 kV龍湖開閉站通過(guò)234開關(guān)合環(huán)運(yùn)行，或110 kV西門站4號(hào)母線，110 kV半壁店站5號(hào)母線，在10 kV龍湖開閉站通過(guò)245開關(guān)合環(huán)運(yùn)行。

由于兩并聯(lián)系統(tǒng)的阻抗不同，合環(huán)運(yùn)行后導(dǎo)致10 kV母線負(fù)荷按照阻抗的反比分配，使兩并聯(lián)系統(tǒng)的負(fù)荷不同。

變壓器分接頭從－10%增加到+10%，負(fù)荷分配比例基本無(wú)變化，可見負(fù)荷分配與變壓器分接頭的位置無(wú)關(guān)。運(yùn)行方式對(duì)負(fù)荷分配比例也影響很小。負(fù)荷分配比例由兩系統(tǒng)固有阻抗決定。234開關(guān)合環(huán)運(yùn)行負(fù)荷比例為110 kV半壁店站1號(hào)變壓器54.73%，110 kV西門站變壓器45.27%;245開關(guān)合環(huán)運(yùn)行110 kV半壁店站2號(hào)變壓器55.16%，110 kV西門站變壓器44.84%。

3.5 合環(huán)運(yùn)行時(shí)接地短路零序電流及對(duì)零序保護(hù)的影響

110 kV西門站4號(hào)母線，110 kV半壁店站3號(hào)母線，在10 kV龍湖開閉站通過(guò)234開關(guān)合環(huán)運(yùn)行?；?10 kV西門站4號(hào)母線，110 kV半壁店站5號(hào)母線，在10 kV龍湖開閉站通過(guò)245開關(guān)合環(huán)運(yùn)行。

110 kV半壁店站10 kV側(cè)經(jīng)10 Ω小電阻接地，10 kV側(cè)單相金屬性接地短路電流為606 A。110 kV西門站10 kV側(cè)為消弧線圈接地系統(tǒng)，單相接地?zé)o短路電流。

110 kV側(cè)接地故障時(shí)的系統(tǒng)零序電流見表5，110 kV對(duì)應(yīng)的零序保護(hù)均應(yīng)靈敏動(dòng)作。由于110 kV變電站110 kV側(cè)不接地，因此110 kV側(cè)接地故障不會(huì)影響到10 kV側(cè)。

表5 110 kV側(cè)接地故障時(shí)的系統(tǒng)零序電流Tab.5 110 kV side ground fault zero sequence current

4 結(jié)論

(1)仿真結(jié)果分析:a.合環(huán)運(yùn)行環(huán)流的大小主要由兩合環(huán)變壓器分接頭的位置決定，選擇半壁店變高出西門變+2.5%(兩個(gè)檔)時(shí)合環(huán)，此時(shí)環(huán)流最小。最大環(huán)流出現(xiàn)在變壓器分接頭在－10%檔，即相差－10%時(shí)，110 kV半壁店站1號(hào)變達(dá)0.815 kA(29.6%變壓器額定電流)，2號(hào)變達(dá)0.895 kA(32.6%)。10 kV龍湖開閉站10 kV合環(huán)電流定值720 A，兩變電站變壓器主分接頭相差7.5%時(shí)，將超過(guò)合環(huán)保護(hù)定值;b.合環(huán)運(yùn)行對(duì)變壓器短路電流影響不大;c.合環(huán)運(yùn)行時(shí)負(fù)荷分配比例由兩系統(tǒng)固有阻抗決定，約為55%對(duì)45%;d.根據(jù)合環(huán)運(yùn)行時(shí)接地短路零序電流計(jì)算，110 kV西門站不需加裝零序保護(hù)。

(2)調(diào)度運(yùn)行建議:a.保證10 kV龍湖開閉站10 kV母線的相序和相位相同;b.盡量滿足合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)的半壁店、西門主變壓器分接頭相同，變壓器主分接頭相差7.5%時(shí)，不得合環(huán)操作;c.參與合環(huán)的兩變電站到合環(huán)點(diǎn)的綜合阻抗不宜相差過(guò)大;d.適當(dāng)調(diào)整合環(huán)地點(diǎn)兩側(cè)負(fù)荷的大小和功率因數(shù)，使兩側(cè)相差不致過(guò)大，避免造成不能合環(huán);e.合環(huán)兩側(cè)負(fù)荷之和不應(yīng)超過(guò)兩側(cè)開關(guān)之一的額定負(fù)荷，否則即使條件均滿足也不能互相替代。

［1］王朝陽(yáng).配電網(wǎng)合環(huán)操作的分析以及實(shí)時(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［D］.南京:東南大學(xué)，2002.

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