10 kV配電網合環電流實用計算方法研究

賈體康， 王 靜， 李繼新， 徐學英

(國網河南省電力公司 濟源供電公司電力調度控制中心，河南 濟源 459000)

0 引言

隨著經濟社會的不斷發展，電力用戶對供電可靠性的要求越來越高。地區配電線路多采取雙向供電或雙電源供電方式，其主要運行特點為“閉環設計，開環運行”[1,2]。由于線路檢修或轉移負荷等原因，當采用“先斷后通”的傳統操作方式時，會引起部分負荷停電。因此，目前“先通后斷”的合環操作方式在配電網中普遍采用。合環操作在帶來連續供電優點的同時也存在著較大的安全隱患，在合環瞬間存在沖擊電流，進入穩態階段也可能存在較大的環路電流，有可能引起電力設備過載、繼電保護誤動作等后果，甚至電磁環網導致擴大事故范圍[3～5]，影響電網的安全穩定運行。

目前電網運行調度人員在進行電網合環操作時多依靠經驗，缺少一套簡單可行的合環電流實用計算方法[6,7]。本文結合濟源地區電網實際，理論分析影響合環電流的因素并提出一種實用計算方法，對指導電網合環操作具有較強的實踐意義。

1 配電網合環簡介

目前在正常運行方式下，地區220 kV主網已實現環網運行[8,9]，110 kV及以下各輸配電網絡為開環運行狀態。220 kV環網狀態為更低電壓等級的線路合環提供了便利，10 kV配電網根據接線方式的不同，合環轉電的方式主要有7種[10]。

根據對電磁環網的電壓等級分析，這7種合環接線方式本質上可以分為三大類。第一類電磁環網電壓等級為220 kV，第二類電磁環網電壓等級為110 kV，第三類電磁環網電壓等級為10 kV。其中電磁環網電壓等級為10 kV時，即為一段母線所連接的不同饋線接線方式或相同饋線不同支線接線方式，結構較為簡單，屬于負荷重新分配問題，一般滿足合環條件。其他兩類合環接線方式的結構示意圖如圖1所示。

圖1 配電網絡合環示意圖

圖1中，高壓側母線電壓等級可以兩段均為110 kV或220 kV，也可以一段為110 kV，另一段為220 kV。

2 合環電流計算理論分析

2.1 合環穩態電流計算

對圖1結構示意圖進行拓撲分析，10 kV母線經饋線至合環點的拓撲結構相同。10 kV母線以上部分為環網的一部分，可以進行阻抗等效折算到10 kV母線一側。因此，通過對10 kV母線以上部分進行等效，保留變電站10 kV母線及饋線至合環點部分后得到配電合環等值網絡如圖2所示。

圖2 配電合環等值網絡圖

(1)

(2)

(3)

ZS=R0+jX0+R1+jX1+R2+jX2

(4)

2.2 配電網分支負荷的影響

10 kV饋電線路呈輻射狀，從變電站母線到合環點線路上有許多分支線，這些分支線所帶負荷對饋線末端合環點電壓有較大影響[8]，因此，計算合環點兩側電壓必須考慮10 kV饋線分支負荷的影響。

在10 kV配電網絡中，10 kV饋線的支線分布根據負荷需求決定。在實際配電網中負荷沿饋線分布多呈均勻性。以下推導饋線負荷均勻分布時，合環點電壓的計算公式[8]。圖3為負荷均勻分布時的饋線模型。

圖3 10 kV饋線負荷均勻分布模型

由于10 kV饋線負荷呈均勻分布，因此：

(5)

(6)

DUA1-jdUA1

(7)

式中：DUA0、dUA0為A點之前負荷在A點引起的電壓降落的縱、橫分量；DUA1、dUA1為A點之后負荷在A點引起的電壓降落的縱、橫分量。則DUA0、dUA0分別為:

(8)

(9)

DUA0、dUA0分別為:

(10)

(11)

(12)

(13)

2.3 沖擊電流計算

以上分析計算可以看出，影響配網合環穩態電流的因素主要有合環點兩側的電壓差(受10 kV饋線的負荷分布影響較大)、環路總阻抗及饋線的初始負荷等。在配電網進行合環操作時，合環瞬間將產生非常大的沖擊電流[10,12]，考慮最不利的情況沖擊電流的最大瞬時值出現在合環后的半個周期(即0.01 s)，此時沖擊電流最大有效值Ip為[13]：

IP=1.62I

(14)

式中：I為合環穩態電流有效值。

2.4 對繼電保護影響

在進行合環操作前，通過合環電流計算，首先應判斷合環后是否會引起饋電線路、主變等設備出現過載現象(一般配電線路過負荷保護裝置控制字設置為0，即只發過負荷信號不動作跳閘)，其次還要根據計算得出的穩態電流、沖擊電流值分析是否會引起線路保護誤動作，導致不必要的停電[14,15]。

10 kV配電線路保護主要配置三段式電流保護。考慮到沖擊電流最大值出現在合環后 0.01 s，所以沖擊電流主要對無時限電流速斷保護(過流I段)動作有影響。合環穩態電流則對限時電流速斷保護(過流II段)及定時限過電流保護(過流Ⅲ段)動作有影響。

3 算例分析

本文以濟源地區10 kV配電網為例，研究2個具有代表性的合環線路，計算其合環電流大小，并與實際合環電流值進行比較分析。線路合環示意圖如圖4所示。

圖4 線路合環示意圖

合環1兩條10 kV線路為線路1、線路2，合環2的兩條10 kV線路為線路3、線路4。合環1與合環2的兩條10 kV饋線均來自兩座不同的110 kV變電站，合環1兩個110 kV變電站的電源取自同一個220 kV變電站；合環2的兩個110 kV變電站電源則來自不同的220 kV變電站。主變、母線及10 kV線路各參數如表1所示。

根據上述計算方法，合環電流計算結果如表2所示，其中實測電流值為合環后從調度D5000系統讀取的值。

表1 合環電流計算參數

從表2計算結果可以看出，合環后電流實測值與計算值接近，滿足工程要求。從表3可以看出，4條合環線路進行合環操作后均不會引起站內開關保護誤動作。

表2 合環電流計算結果

表3 線路保護定值設置

分屬不同220 kV電源的10 kV配電線路均可以得到滿意的結果。因此根據疊加定理及考慮饋線負荷均勻分布計算所得的線路總電流，可以為合環后電流值是否滿足合環條件提供依據。