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)移負荷是運行操作的必然趨勢。正常運行下，聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開;倒負荷或線路檢修時，合環(huán)操作將負荷進行轉(zhuǎn)移，最大限度地減少用戶停電時間，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，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)定運行。10 kV龍湖開閉站由于兩個上級電源接地方式不同，造成較大合環(huán)電流，因此，合環(huán)操作前對合環(huán)電流進行計算分析，使調(diào)度人員判斷合環(huán)后電流是否越限，快速準確找出最佳合環(huán)路徑［2，3］。

1 合環(huán)電流的計算

1.1 合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流的計算

配電網(wǎng)合環(huán)潮流計算時，利用潮流計算出變壓器高壓側(cè)的電壓幅值、相角，合環(huán)點兩側(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)運行時開環(huán)點處兩端電壓，則兩端的電壓差也是已知的。若把合環(huán)運行看作是在開環(huán)運行的系統(tǒng)兩端點之間疊加一負的電壓源(如圖 1 所示［5，6］)，則可將合環(huán)運行方式分解為開環(huán)運行方式和具有一個電壓源的附加分量。

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)方式下的負荷電流;Ic為合環(huán)點兩側(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)計算:

式中:ΔU為合環(huán)點兩側(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。實時潮流計算得到的變壓器高壓側(cè)節(jié)點電壓與合環(huán)節(jié)點到變壓器高壓側(cè)節(jié)點的總阻抗，通過潮流計算可得到ΔU。

1.2 沖擊電流的計算

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

圖2 沖擊電流計算模型Fig.2 Impact of current calculate model

一般情況下沖擊電流幅值高而持續(xù)時間短，如果合環(huán)沖擊電流過大，可能造成一次設(shè)備的損壞或繼電保護動作(主要考慮西門半壁Ⅱ線兩側(cè)斷路器保護Ⅰ段電流值)。所以合環(huán)前計算沖擊電流，為調(diào)度運行人員采取相應(yīng)對策提供理論依據(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，其計算值只與環(huán)路電氣設(shè)備參數(shù)有關(guān)，與環(huán)路中負荷大小無關(guān)。電力系統(tǒng)三相對稱，這里用單相等值進行分析［8］。

以系統(tǒng)平衡點為基準，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)后半個周期，沖擊電流最大值為

2 合環(huán)電流仿真計算模型

2.1 電網(wǎng)模型

本例以10 kV龍湖開閉站為實例分析，電網(wǎng)系統(tǒng)主接線圖如圖3。110 kV半壁店站、110 kV西門站電源點為220 kV通州站和220 kV臺湖站，220 kV通州站通州站通過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號母線和110 kV西門站110 kV 4號母線;臺湖站通過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號母線和110 kV西門站110 kV 5號母線。110 kV西門站和110 kV半壁店站正常運行方式為110 kV母線和10 kV母線均分裂運行，主變均不接地，10 kV側(cè)通過接地電阻或消弧線圈接地。10 kV龍湖開閉站正常運行方式為10 kV 3號，4號，5號母線分裂運行(4號母線不帶負荷)，3號母線電源側(cè)為110 kV半壁店站10 kV 3號母線;4號母線電源側(cè)為110 kV西門站10 kV 4號母線(熱備用，斷202);5號母線電源側(cè)為110 kV半壁店站10 kV 5號母線。

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號母線，通州220 kV系統(tǒng)經(jīng)110 kV半壁店站供3號母線，在10 kV龍湖開閉站通過234開關(guān)合環(huán)運行?；蚺_湖220 kV系統(tǒng)經(jīng)110 kV西門站供4號母線，臺湖220 kV系統(tǒng)經(jīng)110 kV半壁店站供10 kV龍湖開閉站5號母線，在10 kV龍湖開閉站通過245開關(guān)合環(huán)運行。

由于正常運行時10 kV龍湖開閉站3號、5號母線電壓U3，U5與西門站4號母線電壓U4不相等，原因為上述兩個系統(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，此時環(huán)流達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，此時環(huán)流為0.036 kA(1.29%變壓器額定電流)～0.039 kA(1.41%)。

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

3.2 合環(huán)后發(fā)生接地故障對系統(tǒng)的影響

取110 kV西門站發(fā)生接地故障為例，研究合環(huán)對系統(tǒng)的影響。計算過程中，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號母線故障流過各側(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號母線故障流過各側(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號母線，110 kV半壁店站3號母線，在10 kV龍湖開閉站通過234開關(guān)合環(huán)運行，或110 kV西門站4號母線、110 kV半壁店站5號母線，在10 kV龍湖開閉站通過245開關(guān)合環(huán)運行。

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

變壓器分接頭從－10%增加到+10%，短路電流會減小，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，但相對較小(最大6.3%，最小0.3%)。合環(huán)運行對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)后的負荷分配

110 kV西門站4號母線，110 kV半壁店站3號母線，在10 kV龍湖開閉站通過234開關(guān)合環(huán)運行，或110 kV西門站4號母線，110 kV半壁店站5號母線，在10 kV龍湖開閉站通過245開關(guān)合環(huán)運行。

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

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

3.5 合環(huán)運行時接地短路零序電流及對零序保護的影響

110 kV西門站4號母線，110 kV半壁店站3號母線，在10 kV龍湖開閉站通過234開關(guān)合環(huán)運行?；?10 kV西門站4號母線，110 kV半壁店站5號母線，在10 kV龍湖開閉站通過245開關(guān)合環(huán)運行。

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)接地故障時的系統(tǒng)零序電流見表5，110 kV對應(yīng)的零序保護均應(yīng)靈敏動作。由于110 kV變電站110 kV側(cè)不接地，因此110 kV側(cè)接地故障不會影響到10 kV側(cè)。

表5 110 kV側(cè)接地故障時的系統(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%(兩個檔)時合環(huán)，此時環(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，110 kV半壁店站1號變達0.815 kA(29.6%變壓器額定電流)，2號變達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，將超過合環(huán)保護定值;b.合環(huán)運行對變壓器短路電流影響不大;c.合環(huán)運行時負荷分配比例由兩系統(tǒng)固有阻抗決定，約為55%對45%;d.根據(jù)合環(huán)運行時接地短路零序電流計算，110 kV西門站不需加裝零序保護。

(2)調(diào)度運行建議: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，不得合環(huán)操作;c.參與合環(huán)的兩變電站到合環(huán)點的綜合阻抗不宜相差過大;d.適當(dāng)調(diào)整合環(huán)地點兩側(cè)負荷的大小和功率因數(shù)，使兩側(cè)相差不致過大，避免造成不能合環(huán);e.合環(huán)兩側(cè)負荷之和不應(yīng)超過兩側(cè)開關(guān)之一的額定負荷，否則即使條件均滿足也不能互相替代。

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