配電網合環轉供電的分析與計算

陽 麗

(廣西電網有限責任公司來賓供電局， 廣西 來賓 546100)

0 引 言

配電網一般采用開環運行，當線路停電時或負荷重過載時通過合環操作來轉移負荷，保證對用戶的連續供電。某網區10 kV線路共458條，具備轉供電的10 kV線路共317條，但由于在實際合環操作中，多次出現電流異常升高導致變電站出線開關跳閘現象，以致不少線路在合環轉供電時采取先停電后轉供的方式，實際能夠不停電轉供電的10 kV線路只有215條，不停電轉供電率為68%。因此有必要對配網合環轉供電進行分析研究，盡量減少合環操作的停電次數。

1 合環電流

環流由合環點兩側的電壓差或短路阻抗不同產生[1]，其大小是影響合環安全性的關鍵因素[2]。文獻[3-4]計算了合環時穩態電流，但沒有考慮暫態電流的影響。實際合環時電流由合環前的穩態電流和合環后的暫態電流疊加而成。

1.1 穩態電流計算

如圖1所示，系統認為是無窮大系統，由電路原理可知從系統1到維林站10 kV母線壓降ΔU1與系統2到立新站10 kV母線壓降ΔU2應相等，即ΔU1=ΔU2。

根據圖1,由電路原理可列式為

(R1+R2)(I+I1)+(R3+R4)(I+I2)+

R5(I+I3)+R10(I-I6)=(R6+R7)(I4-I)+

(R8+R9)(I5-I)

由上式可推算穩態電流為

I=[(R6+R7)I4+(R8+R9)I5+R10I6-

(R1+R2)I1-(R3+R4)I2-R5I3]/(R1+

R2+R3+R4+R5+R6+R7+R8+R9+R10)

式中：I1-I6為流過設備的電流,可從調度自動化系統中獲取;R1-R10為電力系統設備的電阻,均為已知值。

從圖1可看出，穩態電流由負荷電流與合環電流疊加產生，并與環路中的阻抗值有關。

1.2 暫態電流計算

暫態電流，也叫沖擊電流，其幅值高、持續時間短。它導致繼電保護動作或設備損壞,其形成原因為合環點兩側存在電壓差。如圖2所示為沖擊電流計算模型。

圖2 沖擊電流計算模型

計算模型中的激勵為A相相電壓為

合環回路呈感性,從合環至穩態是振蕩衰減，電路的非齊次微分方程為

式中：ω為系統角頻率；α為合環時刻t=0時初始相角，由合環點兩側電壓的相角差決定。求解該微分方程，可得合環全過程沖擊電流的瞬時值表達式為

非周期分量使暫態過程環流出現較高的峰值。當α-φ=90°時，則在合環后半個工頻周期(即0.01 s)達到最大瞬時值：

如果沖擊電流過大，會造成保護動作，根據文獻[5]合環沖擊電流的最大有效值為

It,max=0.805Im

2 合環轉供電基本原則及計算校核流程

2.1 合環轉供電基本原則

1)相位、相序正確。

2)合環時母線電壓差ΔU≤10%Un，相角差δ≤20°。

3)解、合環操作必須確保潮流、電壓在正常范圍，繼電保護和安全自動裝置不誤動。

4)合環電流(沖擊電流和穩態電流之和)的有效值能躲過環網中各元件過流I段和過流II段的電流定值，避免引起保護誤動。

5)合環電流產生的沖擊和擾動不得破壞電網的暫態穩定性，不得引起系統電壓長時間、大幅度振蕩，不得超過合環點附近發電機組的承受能力。

6)電磁環網包含的電壓等級不宜超過3級，即涉及合環線路屬于同一220 kV網絡時，可合環操作。

2.2 合環轉供電計算校核流程

上述基本原則中，2)～5)可以通過仿真計算來判斷，其余原則為直接判斷和準備工作。合環轉供電計算校核流程如圖3所示。

圖3 合環轉供電計算校核流程圖

為了判斷合環點是否安全，需要進行合環前的穩態潮流計算、合環后潮流穩定計算、暫態穩定計算。

3 實際算例

采用中國電力科學研究院開發的PSD-BPA潮流程序進行仿真計算，為了提高收斂性，其算法是先采用P-Q分解法進行初始迭代，然后再轉入牛頓-拉夫遜法求解潮流。按照上述計算流程，以某網區110 kV立新站10 kV高鐵I線、110 kV維林站10 kV維古I線在聯絡開關合環運行為例，建立了系統穩態和暫態模型，對開環點進行了兩次潮流計算和一次暫態穩定計算，得到合環前穩態潮流圖(如圖4所示)、合環后穩態潮流結果(如圖5所示)、暫態過程仿真結果圖，其中暫態過程仿真設定在2 s開始。兩條線路的導線型號為LGJ-240，過流I段、II段、III段、過負荷保護定值分別為3 000 A、1 200 A、600 A、540 A。

從圖4中可以得到合環前的潮流分布，10 kV維古I線和10 kV高鐵I線聯絡開關兩側的電壓和相位。從圖5中可以得到合環后的潮流分布，線路的潮流方向為10 kV維古I線流向10 kV高鐵I線，并且維林站10 kV維古I線的負荷增加、立新站10 kV高鐵I線的負荷減少，同時可以判斷合環線路元件沒有過載、電壓差在合格范圍內。圖6為合環暫態過程電壓曲線仿真結果。

圖5 合環后穩態潮流圖

圖6 合環暫態過程電壓曲線

從圖6可以看出，由于合環后維林站10 kV維古I線的負荷增加、立新站10 kV高鐵I線的負荷減少，造成維林站10 kV I段母線電壓下降、立新站10 kV I段母線電壓上升，電壓合格；10 kV維古I線聯絡開關電壓下降、10 kV高鐵I線聯絡開關，合環后聯絡開關兩側電壓達到一致，為10.3 kV。

圖7為合環暫態過程電流曲線仿真結果。

圖7 合環暫態過程電流曲線

暫態過程仿真設定在2 s開始，從圖7可以看出，合環后將會產生沖擊電流，其中維林站10 kV維古I線963開關沖擊電流最大值為516 A，聯絡開關沖擊電流最大值為321 A，立新站10 kV高鐵I線962開關由于負荷減少，電流下降。沖擊電流最大的地方為維林站10 kV維古I線963開關516 A，維林站10 kV維古I線963開關合環前穩態潮流電流為228 A、合環后穩態潮流電流為495 A。

為了判斷合環點是否安全，需要進行合環操作安全性校核，表1為合環操作安全性校核表。

表1 合環操作安全性校核表

表1中，校核2.1中合環轉供電基本原則2)～5)，具體內容如下：

1)由表1知，合環時母線電壓差ΔU=0.3 kV≤10%×10.5 kV，相角差δ=6.6°≤20°，滿足判據要求。

2)由圖4～6可知，解、合環后潮流、負荷、電壓均在正常范圍內。

3)由圖7可知，合環后穩態和沖擊電流之和的最大電流有效值512 A，未超過過負荷定值540 A，未超過過流I段定值3 000 A，未超過過流II段定值1 200 A，不會引起保護誤動。

4)合環電流產生的沖擊和擾動未破壞電網的暫態穩定性，未引起系統電壓長時間、大幅度振蕩，未超過合環點附近發電機組的承受能力。

仿真結果表明，該網區110 kV立新站10 kV高鐵I線、110 kV維林站10 kV維古I線可在聯絡開關處進行合環操作。

4 結 語

從穩態和暫態兩個方面對合環電流進行了分析，提出了合環轉供電的基本原則以及計算校核流程圖，通過實際算例對合環轉供電進行了安全性校核。實際工作中，如果校核發現最大電流有效值不能躲過電流I段或電流II段的保護定值，則要求保護裝置適當提高電流值并作為合環操作的臨時定值，合環操作前將保護定值切至臨時定值來滿足合環操作安全要求；部分不能合環的線路，因受TA變比不滿足或導線線徑小影響，只能通過基建或技改項目來解決。

實踐證明，該合環轉供電基本原則及計算校核方法有效地指導了某網區配電網合環操作，實現不停電轉供電的10 kV線路由215條提高到288條，不停電轉供電率由68%提高到91%，大幅提高了供電可靠性，防止合環操作時的保護誤動，增強了電網安全穩定性。