小水電對配網用戶的影響分析及預防措施

譚艷君 陳志峰

摘? 要：隨著水力發電技術的迅速發展，水利資源豐富的地區有大量分布式小水電接入當地配電網。并網小水電在向電網輸送功率的同時，由于缺乏規范化管理等原因，含有小水電的配網線路會出現電壓過高等現象。含小水電的配網線路由于主供線路故障跳閘后，會形成孤網運行，線路將出現高頻、高壓的工況，嚴重時引起用戶電器設備損壞，同時也影響線路的檢無壓重合閘。該文從小水電運行機理出發，對小水電影響配網用戶的原因進行了分析，并提出了具體的預防措施，為減少小水電對配網用戶的影響提供了具體的改進思路。

關鍵詞：小水電;高頻;高壓;配網用戶

中圖分類號：TM773? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

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

此外當線路主供電源保護動作于瞬時故障時，主供電源跳閘并脫離配電線路。但是小水電仍保持運行狀態，因此跳閘線路仍有電壓。線路重合閘的動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，因此會造成重合閘設備重合失敗，瞬時性故障變為永久性故障。繼而使用戶停電時間延長，降低了線路供電的可靠性。因此分析小水電的運行特性并采取相應的預防措施將有利于減少小水電對配網用戶的影響。

1 含小水電的配網線路頻率變化分析

根據水輪機的轉子運動方程：

（1）

式中：J為轉子的轉動慣量;w為轉子的角速度;Pm為發電機機械功率;Pe為發電機電磁功率;?P為不平衡功率。

由式（1）可以看出，由于轉動慣量J保持不變，因此轉子角速度的變化率與水輪機的不平衡功率?P成線性關系。當含小水電的配網線路正常運行時，不平衡功率?P=0水輪機轉子轉速保持恒定，即頻率恒定;當斷開瞬間形成孤網運行時，水輪機機械功率保持不變，而電磁功率大幅度減少，則?P>0轉子加速運動，引起頻率上升，嚴重時水輪機會出現飛機現象;當?P<0時，轉子減速運動，頻率降低。頻率的上升或下降都嚴重影響用戶的供電質量。

2 含小水電的配網線路過壓分析

由于山區小水電以徑流式為主，出力取決于河流的徑流量，且不投入自動勵磁調節裝置，理論分析時可等值成一個帶內阻的恒電壓源。

2.1 孤網過電壓

小水電不投入自動勵磁裝置而保持輸出電勢Eq不變，當發電機輸出功率減小時，功角δ減小，發電機端電壓VG便要增大。圖1為具有隱極發電機的簡單電力系統的向量圖。圖中XdΣ為系統總電抗，XTL為變壓器與線路總電抗，Xd為發電機電抗。在給定運行條件下，發電機端電壓的端點位于電壓降上，位置按XTL與Xd的比例確定。當輸送功率減小，δ由δ0減小到δ1時，向量應位于電壓降上，其位置按XTL與Xd的比例確定。由于Eq=Eq0=常數，隨著向功角減小方向轉動，也隨著轉動，而且數值增大了。很明顯，上述結論也適用于系統中任一中間接點的電壓。

正常運行時，小水電通過配網線路向電網輸送功率，發電機功角δ及端電壓VG保持不變。當主供線路故障跳閘后形成孤網，發電向線路輸送功率減小，使得功角δ減小，引起發電機端電壓VG增大，從而抬高孤網線路電壓。

此外根據電壓降的計算公式：

（2）

小水電通過配網線路串接入變電站。由于發電機在向電網輸送有功的同時也輸送無功功率，而感性無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，其電壓較小水電端電壓及沿饋線的各負荷節點電壓低。當主供線路故障跳閘后，導致小水電發出的有功及無功功率無法輸送到電網，使沿饋線的各負荷節點處電壓均被抬高。因此，含小水電的配網線路孤網運行時極易引起線路過電壓，嚴重時會造成線路上用戶用電設備的損壞。

2.2 轉供電電壓

根據發電機功率特性：

（3）

式中：P0為發電機傳輸功率，Eq發電機輸出電勢，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，當主供電線路通過線路的聯絡開關進行轉供電，使小水電轉由路徑更長的線路上網時，會使線路總阻抗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，因此發電機輸出功率P0減小，功角δ減小，使得發電機端電壓VG增大，從而引起靠近小水電側線路電壓被抬高，進而影響用戶用電設備的正常運行。

3 預防措施

針對小水電線路可能出現的高頻、高壓的工況，目前采用的通用方法是在小水電側配置過電壓保護，但單純的過電壓保護在系統電壓波動時容易誤動，嚴重影響小水電機組的正常運行，因此造成過電壓保護投入率不高。

3.1 在電壓保護裝置中增加電壓增量的判據

通常情況下電壓變化率大于每秒1%，即為電壓急劇變化，根據國家標準10 kV及以下系統電壓波動允許值為2.5%。根據含小水電的配網線路過壓分析可知，由于水輪機組的慣性作用，大多數情況下電壓變化率及持續時間相較于電壓波動有明顯區別。因此在電壓保護裝置中增加電壓增量的判據，并按躲開電壓波動的情況進行配置，即可滿足在過電壓時可靠地切除線路小水電的要求。

3.2 在保護裝置中增加頻率判據

由于正常的線路電壓波動其頻率不會發生變化，而含小水電的線路在其產生過電壓的同時通常還伴隨著線路頻率的變化，因此可在過電壓保護裝置中增加頻率的判據以正確判斷小水電線路過電壓的情況，并及時切除水電機組，減少對線路用戶的影響。

3.3 采用孤網自動同期并網裝置

當主供線路故障跳閘后，解列小水電將有效緩解線路過壓風險。當過電壓不嚴重時，還可采取孤網運行后自動同期并網的方式恢復供電，具有檢同期并網功能的重合閘或備自投裝置，在變電站孤網運行后檢測到頻差、壓差、角差符合要求時自動同期合閘，從而實現用戶的不間斷供電，可實現小水電的綜合利用。

3.4 對小水電投入自動勵磁裝置

無自動勵磁裝置投入的小水電線路，在線路輸送功率減小時會抬高線路電壓。而自動勵磁裝置可對發電機的輸出電壓進行調節，更好地分配線路及系統的無功功率，增強線路電壓的穩定性。由于目前很難在所有小水電端進行改造，因此常用做法是在小水電支線的分界開關處安裝自動投切裝置，過電壓時切除小水電，線路主供電源正常時投入小水電。此種方法可有效避免產權糾紛及用戶電站的改造問題。

參考文獻

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