小水電對(duì)配網(wǎng)用戶的影響分析及預(yù)防措施

譚艷君 陳志峰

摘? 要：隨著水力發(fā)電技術(shù)的迅速發(fā)展，水利資源豐富的地區(qū)有大量分布式小水電接入當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)。并網(wǎng)小水電在向電網(wǎng)輸送功率的同時(shí)，由于缺乏規(guī)范化管理等原因，含有小水電的配網(wǎng)線路會(huì)出現(xiàn)電壓過(guò)高等現(xiàn)象。含小水電的配網(wǎng)線路由于主供線路故障跳閘后，會(huì)形成孤網(wǎng)運(yùn)行，線路將出現(xiàn)高頻、高壓的工況，嚴(yán)重時(shí)引起用戶電器設(shè)備損壞，同時(shí)也影響線路的檢無(wú)壓重合閘。該文從小水電運(yùn)行機(jī)理出發(fā)，對(duì)小水電影響配網(wǎng)用戶的原因進(jìn)行了分析，并提出了具體的預(yù)防措施，為減少小水電對(duì)配網(wǎng)用戶的影響提供了具體的改進(jìn)思路。

關(guān)鍵詞：小水電;高頻;高壓;配網(wǎng)用戶

中圖分類(lèi)號(hào)：TM773? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在水利資源豐富的地區(qū)，水電站通常以“T”型接線接入10 kV配電線路。因此當(dāng)主供線路故障跳閘后，容易形成小水電與配網(wǎng)用戶孤網(wǎng)運(yùn)行的情況。孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)若小水電出力大于用戶負(fù)荷，將出現(xiàn)高頻、高壓的工況，嚴(yán)重時(shí)將引起線路用戶電器設(shè)備的損壞。同時(shí)，為保證主供線路所帶負(fù)荷的用電可靠性，通常在主供線路檢修時(shí)，將線路負(fù)荷切換到備用線路上。若備用線路過(guò)長(zhǎng)，由于水電出力送出，也將造成線路過(guò)電壓的情況。

此外當(dāng)線路主供電源保護(hù)動(dòng)作于瞬時(shí)故障時(shí)，主供電源跳閘并脫離配電線路。但是小水電仍保持運(yùn)行狀態(tài)，因此跳閘線路仍有電壓。線路重合閘的動(dòng)作條件之一是待合線路失去電壓，但是有水電接入的線路往往不符合這一條件，因此會(huì)造成重合閘設(shè)備重合失敗，瞬時(shí)性故障變?yōu)橛谰眯怨收?。繼而使用戶停電時(shí)間延長(zhǎng)，降低了線路供電的可靠性。因此分析小水電的運(yùn)行特性并采取相應(yīng)的預(yù)防措施將有利于減少小水電對(duì)配網(wǎng)用戶的影響。

1 含小水電的配網(wǎng)線路頻率變化分析

根據(jù)水輪機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程：

（1）

式中：J為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;w為轉(zhuǎn)子的角速度;Pm為發(fā)電機(jī)機(jī)械功率;Pe為發(fā)電機(jī)電磁功率;?P為不平衡功率。

由式（1）可以看出，由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J保持不變，因此轉(zhuǎn)子角速度的變化率與水輪機(jī)的不平衡功率?P成線性關(guān)系。當(dāng)含小水電的配網(wǎng)線路正常運(yùn)行時(shí)，不平衡功率?P=0水輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持恒定，即頻率恒定;當(dāng)斷開(kāi)瞬間形成孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，水輪機(jī)機(jī)械功率保持不變，而電磁功率大幅度減少，則?P>0轉(zhuǎn)子加速運(yùn)動(dòng)，引起頻率上升，嚴(yán)重時(shí)水輪機(jī)會(huì)出現(xiàn)飛機(jī)現(xiàn)象;當(dāng)?P<0時(shí)，轉(zhuǎn)子減速運(yùn)動(dòng)，頻率降低。頻率的上升或下降都嚴(yán)重影響用戶的供電質(zhì)量。

2 含小水電的配網(wǎng)線路過(guò)壓分析

由于山區(qū)小水電以徑流式為主，出力取決于河流的徑流量，且不投入自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置，理論分析時(shí)可等值成一個(gè)帶內(nèi)阻的恒電壓源。

2.1 孤網(wǎng)過(guò)電壓

小水電不投入自動(dòng)勵(lì)磁裝置而保持輸出電勢(shì)Eq不變，當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出功率減小時(shí)，功角δ減小，發(fā)電機(jī)端電壓VG便要增大。圖1為具有隱極發(fā)電機(jī)的簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)的向量圖。圖中XdΣ為系統(tǒng)總電抗，XTL為變壓器與線路總電抗，Xd為發(fā)電機(jī)電抗。在給定運(yùn)行條件下，發(fā)電機(jī)端電壓的端點(diǎn)位于電壓降上，位置按XTL與Xd的比例確定。當(dāng)輸送功率減小，δ由δ0減小到δ1時(shí)，向量應(yīng)位于電壓降上，其位置按XTL與Xd的比例確定。由于Eq=Eq0=常數(shù)，隨著向功角減小方向轉(zhuǎn)動(dòng)，也隨著轉(zhuǎn)動(dòng)，而且數(shù)值增大了。很明顯，上述結(jié)論也適用于系統(tǒng)中任一中間接點(diǎn)的電壓。

正常運(yùn)行時(shí)，小水電通過(guò)配網(wǎng)線路向電網(wǎng)輸送功率，發(fā)電機(jī)功角δ及端電壓VG保持不變。當(dāng)主供線路故障跳閘后形成孤網(wǎng)，發(fā)電向線路輸送功率減小，使得功角δ減小，引起發(fā)電機(jī)端電壓VG增大，從而抬高孤網(wǎng)線路電壓。

此外根據(jù)電壓降的計(jì)算公式：

（2）

小水電通過(guò)配網(wǎng)線路串接入變電站。由于發(fā)電機(jī)在向電網(wǎng)輸送有功的同時(shí)也輸送無(wú)功功率，而感性無(wú)功功率的傳送需從電壓較高的一端傳送至電壓較低的一端，因此變電站10kV母線作為受端系統(tǒng)，其電壓較小水電端電壓及沿饋線的各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓低。當(dāng)主供線路故障跳閘后，導(dǎo)致小水電發(fā)出的有功及無(wú)功功率無(wú)法輸送到電網(wǎng)，使沿饋線的各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處電壓均被抬高。因此，含小水電的配網(wǎng)線路孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)極易引起線路過(guò)電壓，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成線路上用戶用電設(shè)備的損壞。

2.2 轉(zhuǎn)供電電壓

根據(jù)發(fā)電機(jī)功率特性：

（3）

式中：P0為發(fā)電機(jī)傳輸功率，Eq發(fā)電機(jī)輸出電勢(shì)，V為受端電壓，XdΣ為線路總阻抗，角度δ為功角。

由式（3）可以看出，當(dāng)主供電線路通過(guò)線路的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)供電，使小水電轉(zhuǎn)由路徑更長(zhǎng)的線路上網(wǎng)時(shí)，會(huì)使線路總阻抗XdΣ增大，而受端電壓V由于受到變電站母線電壓的鉗制而保持不變，因此發(fā)電機(jī)輸出功率P0減小，功角δ減小，使得發(fā)電機(jī)端電壓VG增大，從而引起靠近小水電側(cè)線路電壓被抬高，進(jìn)而影響用戶用電設(shè)備的正常運(yùn)行。

3 預(yù)防措施

針對(duì)小水電線路可能出現(xiàn)的高頻、高壓的工況，目前采用的通用方法是在小水電側(cè)配置過(guò)電壓保護(hù)，但單純的過(guò)電壓保護(hù)在系統(tǒng)電壓波動(dòng)時(shí)容易誤動(dòng)，嚴(yán)重影響小水電機(jī)組的正常運(yùn)行，因此造成過(guò)電壓保護(hù)投入率不高。

3.1 在電壓保護(hù)裝置中增加電壓增量的判據(jù)

通常情況下電壓變化率大于每秒1%，即為電壓急劇變化，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)10 kV及以下系統(tǒng)電壓波動(dòng)允許值為2.5%。根據(jù)含小水電的配網(wǎng)線路過(guò)壓分析可知，由于水輪機(jī)組的慣性作用，大多數(shù)情況下電壓變化率及持續(xù)時(shí)間相較于電壓波動(dòng)有明顯區(qū)別。因此在電壓保護(hù)裝置中增加電壓增量的判據(jù)，并按躲開(kāi)電壓波動(dòng)的情況進(jìn)行配置，即可滿足在過(guò)電壓時(shí)可靠地切除線路小水電的要求。

3.2 在保護(hù)裝置中增加頻率判據(jù)

由于正常的線路電壓波動(dòng)其頻率不會(huì)發(fā)生變化，而含小水電的線路在其產(chǎn)生過(guò)電壓的同時(shí)通常還伴隨著線路頻率的變化，因此可在過(guò)電壓保護(hù)裝置中增加頻率的判據(jù)以正確判斷小水電線路過(guò)電壓的情況，并及時(shí)切除水電機(jī)組，減少對(duì)線路用戶的影響。

3.3 采用孤網(wǎng)自動(dòng)同期并網(wǎng)裝置

當(dāng)主供線路故障跳閘后，解列小水電將有效緩解線路過(guò)壓風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)過(guò)電壓不嚴(yán)重時(shí)，還可采取孤網(wǎng)運(yùn)行后自動(dòng)同期并網(wǎng)的方式恢復(fù)供電，具有檢同期并網(wǎng)功能的重合閘或備自投裝置，在變電站孤網(wǎng)運(yùn)行后檢測(cè)到頻差、壓差、角差符合要求時(shí)自動(dòng)同期合閘，從而實(shí)現(xiàn)用戶的不間斷供電，可實(shí)現(xiàn)小水電的綜合利用。

3.4 對(duì)小水電投入自動(dòng)勵(lì)磁裝置

無(wú)自動(dòng)勵(lì)磁裝置投入的小水電線路，在線路輸送功率減小時(shí)會(huì)抬高線路電壓。而自動(dòng)勵(lì)磁裝置可對(duì)發(fā)電機(jī)的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，更好地分配線路及系統(tǒng)的無(wú)功功率，增強(qiáng)線路電壓的穩(wěn)定性。由于目前很難在所有小水電端進(jìn)行改造，因此常用做法是在小水電支線的分界開(kāi)關(guān)處安裝自動(dòng)投切裝置，過(guò)電壓時(shí)切除小水電，線路主供電源正常時(shí)投入小水電。此種方法可有效避免產(chǎn)權(quán)糾紛及用戶電站的改造問(wèn)題。

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