同分區(qū)配電網(wǎng)10 kV側(cè)合環(huán)沖擊電流分析

段若晨，姚 蓉，鄭 可，莊軍輝

(國(guó)網(wǎng)上海市電力公司市南供電公司，上海 200233)

同分區(qū)配電網(wǎng)10kV側(cè)合環(huán)沖擊電流分析

段若晨，姚 蓉，鄭 可，莊軍輝

(國(guó)網(wǎng)上海市電力公司市南供電公司，上海 200233)

隨著電網(wǎng)供電可靠性要求的不斷提高，在電網(wǎng)檢修或故障時(shí)需要在配電網(wǎng)側(cè)進(jìn)行合環(huán)操作，進(jìn)而可能產(chǎn)生較大的沖擊電流，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。利用數(shù)學(xué)建模的方法，針對(duì)同一分區(qū)不同容量主變的合環(huán)情況，給出了合環(huán)沖擊電流計(jì)算公式，并以某條10 kV合環(huán)線路為例，結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和繼電保護(hù)整定值，對(duì)正常情況及極端情況下線路沖擊電流耐受情況進(jìn)行分析，研究結(jié)果對(duì)電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

配電網(wǎng)絡(luò)；合環(huán)操作；沖擊電流；建模分析

為了滿足日益增長(zhǎng)的電網(wǎng)供電可靠性要求，目前的配電網(wǎng)絡(luò)均以合環(huán)結(jié)構(gòu)搭建[1-2]，當(dāng)某條線路需要進(jìn)行檢修或發(fā)生故障時(shí)，即可通過合環(huán)操作，不停電地將負(fù)荷進(jìn)行轉(zhuǎn)移。然而，當(dāng)合環(huán)點(diǎn)兩端主變處于不同分區(qū)或者同一分區(qū)但容量不同時(shí)，由于所帶負(fù)荷不同，兩段母線電壓及相角均會(huì)有所偏差，使得合環(huán)瞬間會(huì)造成較大的沖擊電流及穩(wěn)態(tài)合環(huán)電流，會(huì)直接影響到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[3]。

由于電網(wǎng)不同分區(qū)合環(huán)情況往往較為嚴(yán)重，因此受到關(guān)注較多，對(duì)于同分區(qū)10 kV側(cè)合環(huán)情況關(guān)注較少[4-5]。同時(shí)，由于目前變電站升級(jí)改造較多，同分區(qū)不同容量合環(huán)情況也逐漸增多，引起的合環(huán)沖擊電流需要引起足夠重視。

本文主要利用數(shù)學(xué)建模方法，針對(duì)同一分區(qū)不同容量?jī)芍髯兒檄h(huán)情況進(jìn)行分析，給出合環(huán)沖擊電流計(jì)算公式，同時(shí)結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和繼電保護(hù)整定情況，分析計(jì)算負(fù)荷最高時(shí)和正常工況下該線路的合環(huán)情況，以驗(yàn)證該方法的可行性。

1 建模分析

以A站2號(hào)主變(容量80 MVA，變比110/10)和B站2號(hào)主變(容量20 MVA，變比35/10)的10 kV側(cè)合環(huán)為例進(jìn)行分析。其上級(jí)變電站分別為同一分區(qū)的C、D 220 kV變電站，并通過聯(lián)絡(luò)線直接連接，因此認(rèn)為環(huán)路220 kV側(cè)電壓和相角保持一致。而A、B兩站10 kV側(cè)則通過兩條出線電纜a、b，在配電站內(nèi)的10 kV分段負(fù)荷閘刀進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，進(jìn)而構(gòu)成合環(huán)回路，其合環(huán)示意圖如圖1所示。

圖1 同分區(qū)配電網(wǎng)10 kV側(cè)合環(huán)示意圖

由圖1可見，由于兩站主變?nèi)萘坎煌鶐ж?fù)荷有較大差距，因此兩站10 kV母線的電壓及相角均不相同，合環(huán)的瞬間會(huì)在連接兩站的線路上產(chǎn)生較大的沖擊電流。此后，環(huán)流會(huì)通過環(huán)網(wǎng)，形成較大的穩(wěn)態(tài)電流。由于合環(huán)回路均為純電纜線路，其阻抗較架空線路更小，合環(huán)電流相對(duì)而言會(huì)更大。圖1中各主變、線路參數(shù)分別如表1、表2所示。

表1 各主變參數(shù)

表2 各線路參數(shù)

2 計(jì)算過程

首先建立合環(huán)電流暫態(tài)過程的單相等值電路方程，即：

(1)

式中e(t)——等效電路的電動(dòng)勢(shì)；Em、α——分別為合環(huán)時(shí)刻兩10 kV母線的電壓差和相角差；R、L——分別為等效電路的總電阻和總電抗。

由于該方程屬于時(shí)域非線性微分方程，可通過拉普拉斯變換，將其轉(zhuǎn)化為復(fù)頻域中的代數(shù)方程進(jìn)行求解。

對(duì)式(1)兩端取拉普拉斯變換，得：

E(s)=RI(s)+sLI(s)-Li(0_)

(2)

由于合環(huán)前，電路中沒有電流通過，因此電感中的初始電流為零，因此有：

(3)

令：

(4)

(5)

對(duì)式(4)進(jìn)行拉普拉斯反變換并帶入式(5)，得到時(shí)域中合環(huán)電流的完全表達(dá)式為

(6)

由于三相對(duì)稱，只需將和代入式(6)，即可得到其余兩相的全電流表達(dá)式。

由式(6)可以看出，合環(huán)電流由交流分量iac和直流分量idc兩部分組成：

(7)

式中iac——合環(huán)穩(wěn)態(tài)周期分量，其幅值大小取決于合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)電壓差和環(huán)網(wǎng)總阻抗；idc——呈指數(shù)規(guī)律衰減的非周期分量。

idc的初始值idc0取決于合環(huán)時(shí)刻的初始狀態(tài)，衰減時(shí)間常數(shù)由環(huán)路中電阻與電感的比值決定。直流分量值越大，合環(huán)電流瞬時(shí)值就越大。在合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)電壓差和環(huán)路阻抗一定的情況下，其大小由合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)電壓相角差所決定，當(dāng)α滿足α-φ=90°時(shí)，idc0的絕對(duì)值達(dá)到最大iM，將在合環(huán)操作約1/2個(gè)周期(0.01 s)后出現(xiàn)，即：

iM=(1+e-0.01R/L)Im

(8)

由此可見，合環(huán)電流由合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)母線電壓差、所帶負(fù)荷及環(huán)網(wǎng)阻抗共同決定，為保證合環(huán)安全，應(yīng)采取措施，盡量減小合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)的電壓差及相角差。

3 分析結(jié)果

利用SCADA系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算。由于母線電壓及所帶負(fù)荷是隨時(shí)變化的，以2016年7月28日和2016年10月28日12點(diǎn)的母線數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，能夠分別代表最高負(fù)荷和平日負(fù)荷狀態(tài)。同時(shí)，為了能夠準(zhǔn)確判斷環(huán)流對(duì)電網(wǎng)的影響，需要參考a和b兩條合環(huán)聯(lián)絡(luò)線的繼電保護(hù)整定情況，這兩條線路均采用反時(shí)限過流保護(hù)，整定值如表3所示。

表3 a、b線路繼電保護(hù)整定值

首先對(duì)2016年10月28日數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，電壓、功率及電流情況如表4和表5所示。分別計(jì)算電壓差及角差，并根據(jù)式(6)計(jì)算三相的沖擊電流及穩(wěn)態(tài)電流，如表6所示。計(jì)算結(jié)果顯示，三相沖擊電流達(dá)到了兩條線路平日負(fù)荷電流的十幾倍甚至幾十倍以上，同時(shí)已超過b線反時(shí)限過流保護(hù)的啟動(dòng)電流整定值，然而由于沖擊電流衰減時(shí)間較短，很快便會(huì)達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流，因此不會(huì)引起線路保護(hù)動(dòng)作。

表4 2016年10月28日電壓、功率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

表5 2016年10月28日電流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

表6 2016年10月28日三相合環(huán)電流計(jì)算結(jié)果

隨后選取2016年7月28日全年最大負(fù)荷日數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該日兩站所帶負(fù)荷量為2016年10月28日的三倍多，因此作為極端情況進(jìn)行分析。負(fù)荷情況如表7、8所示，計(jì)算結(jié)果如表9所示。計(jì)算結(jié)果顯示，合環(huán)電流相較平時(shí)情況下有大幅度增加，其中A、C相沖擊電流已超過b線反時(shí)限過流保護(hù)啟動(dòng)電流三倍，并且穩(wěn)態(tài)電流也已超過兩條線路保護(hù)的啟動(dòng)電流，若合環(huán)后未能盡快解環(huán)完成后續(xù)操作，很有可能引起線路保護(hù)動(dòng)作。同時(shí)穩(wěn)態(tài)電流過大，也有可能對(duì)上級(jí)電網(wǎng)設(shè)備及線路造成損害，對(duì)電網(wǎng)正常運(yùn)行造成影響。

表7 7月28日電壓、功率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

表8 7月28日電流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

表9 7月28日三相合環(huán)電流計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

本文主要針對(duì)同分區(qū)不同容量主變10 kV側(cè)合環(huán)情況進(jìn)行分析計(jì)算，由于目前變電站均配備了AVC裝置，可在電壓發(fā)生偏移時(shí)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，因此10 kV側(cè)電壓偏差一般不會(huì)超過5%。然而，當(dāng)兩站主變?nèi)萘坎煌瑫r(shí)，所帶負(fù)荷偏差較大時(shí)，兩母線存在一定的角差，同樣會(huì)對(duì)合環(huán)電流造成顯著影響。根據(jù)典型數(shù)據(jù)的分析結(jié)果顯示，配網(wǎng)合環(huán)存在繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，因此建議不同容量主變合環(huán)一定要在負(fù)荷低谷時(shí)進(jìn)行，同時(shí)在合環(huán)前，盡量通過有載調(diào)壓裝置和無功補(bǔ)償裝置，調(diào)整合閘兩側(cè)母線電壓幅值和相角保持一致，以控制合環(huán)電流大小，保證電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。

[1] 王友懷,楊增力,周虎兵,等.相序不對(duì)應(yīng)合環(huán)對(duì)繼電保護(hù)的影響[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2013,37(18):99-102.

WANG Youhuai, YANG Zengli, ZHOU Hubing, et al. Impact of power transmission lines ring closing with a wrong phase sequence on protective relays[J].Automation of Electric Power Systems, 2013, 37(18): 99-102.

[2]王友懷,楊增力,周虎兵,等.相序不對(duì)應(yīng)合環(huán)對(duì)繼電保護(hù)的影響[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2013,37(18):99-102.

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[3]陳霄，王磊，李揚(yáng)．配電網(wǎng)合環(huán)沖擊電流的分析[J]．電力自動(dòng)化設(shè)備，2005，25(4)：40-42．

[4] 汲亞飛,趙江河.輻射型配電網(wǎng)合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流計(jì)算方法研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009,37(12):15-19.

JI Yafei, ZHAO Jianghe. Calculation of the loop closing steady-state current in radial power distribution network[J].Power System Protection and Control, 2009, 37(12): 15-19.

[5]鄒俊雄,周冠波,付軻,等.10 kV配網(wǎng)合環(huán)轉(zhuǎn)電計(jì)算模型與試驗(yàn)分析[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(8):144-148.

ZOU Junxiong, ZHOU Guanbo, FU Ke, et al. Electromagnetic loop closing calculation model and experimental analysis on 10 kv distribution network[J].Power System Protection and Control, 2010, 38(8): 144-148.

Analysisof10kVSideLoop-ClosingSurgeCurrentinDistributionNetworksoftheSamePartition

DUAN Ruochen, YAO Rong, ZHENG Ke, ZHUANG Junhui

(State Grid Shanghai Shinan Power Supply Company, Shanghai 200233, China)

With the improvement of power supply reliability requirement, a large surge current may be generated by closing loop in distribution network in the case of power grid maintenance or fault, which will infect the safe and stable operation of grid. This paper presents the formula to calculate the surge current during closing loop of different capacity transformers in the same partition by mathematical model. A typical 10 kV loop line has also been studied to analyze the tolerance situation of surge current under normal and extreme situation based on the setting value of relay protection. The research results have significant value of guidance and reference for the grid operation.

distribution network; loop closing; surge current; model analysis

10.11973/dlyny201705004

段若晨(1988—)，男，博士，工程師，從事電力調(diào)度工作。

TM744

A

2095-1256(2017)05-0507-03

2017-08-06

(本文編輯：趙艷粉)