城網10 kV 配電線路合環條件判定方法

陳 琛，安 義，郭 亮，蔡木良，劉 蓓

（國網江西省電力有限公司電力科學研究院，江西 南昌 330096）

0 引言

隨著城市的發展和人民生活水平的不斷提高，用戶對供電可靠性的要求越來越高，對停電、甚至是短時停電都十分敏感。但10 kV 配網對于用戶接入、缺陷處理、設備定檢、維護、事故處理以及上級電網檢修需要等操作，經常使用先停電后倒電的方法，造成停電次數較多，時間較長，停電會嚴重地影響企業正常生產，也給人民生活帶來諸多不便。同時，供電企業自身也因停電減少了售電量，造成經濟損失，也損害了供電企業的社會形象。如果能采取措施通過10 kV 線路先合環再斷開相應斷路器，則對減小停電范圍、提高供電可靠性十分有好處。為了盡量地減少用戶的停電次數和時間，合環操作成為電力系統運行操作中必不可少的環節[1-3]。

但是環網系統中，聯絡開關兩側的電壓存在差異，這就導致合環之后系統中會產生沖擊電流及循環電流，疊加在兩條參與合環的線路上導致電流發生變化，若線路上電流增加過多超過了線路最大容許載流量，將引起線路保護動作跳閘，影響系統供電可靠性。因此為了防止合環對電網造成影響，需在合環前對合環條件進行判定[4]。

目前在合環條件判定方面，調度員事先在EMS系統中得到模擬合環的潮流分布，再確定是否能進行合環操作，但這種方式操作復雜，沒有確定的判定范圍，憑借經驗操作，較難把控，有一定的風險。為了解決上述問題，文中在配電網合環穩態過程分析的基礎上，提出了基于合環饋線穩態電流的簡化合環條件判定方法。

1 合環操作步驟

圖1 是一個典型的雙電源供電環網系統。系統處于正常運行的狀態時，開關C、D 和G 均為閉合，聯絡開關F 斷開，此時變電站1、2 之間無連接，環網柜所帶的負荷由變電站1 供電。當線路A 發生故障需要開展檢修時，如果進行傳統的復電方式，先斷開C、D 開關并對線路A 進行檢修，然后再合上聯絡開關F，環網柜負荷由變電站2 接帶。這一系列的操作會造成環網柜所接帶的負荷停電，導致復電時間較長。

圖1 典型環網系統

因此考慮采用合環操作的復電方式，在確定可以進行合環操作的情況下，合上聯絡開關F，此時變電站1、2 處于環網運行，然后斷開開關C、D 對線路A 進行檢修。這樣環網柜接帶的負荷能夠在不停電的情況下轉移到變電站2 接帶，這個過程比較短，完全不影響用戶用電，且之后也有足夠的檢修時間。

2 合環條件判定方法

在合環前，首先要確定兩條具備聯絡的線路是否能進行合環操作。而目前在合環條件判定方面，調度員事先在EMS 系統中得到模擬合環的潮流分布，再確定是否能進行合環操作，但這種方式操作復雜，沒有確定的判定范圍，憑借經驗操作，較難把控，有一定的風險。文中基于合環暫態沖擊電流不引起電流保護動作的理論[5]，提出以合環點兩端電壓相位一致，合環饋線穩態電流不超過最大載流量的判定方法。

2.1 合環條件理論計算

圖2 為一個經典的合環系統，現以圖2 為例推導合環條件判定方法。如圖2 所示，饋線1 來自變電站A的10 kV母線，饋線2來自變電站B的10 kV母線。

圖2 經典的合環系統

由于合環后功率由母線流向兩條饋線，所以合環后饋線1首端穩態電流為：

饋線2首端穩態電流為：

式中：I?1、I?2為合環前饋線電流，I?C為合環后的循環電流。要滿足穩態電流值不超過饋線最大容許載流量Imax，即滿足I?′1＜Imax。而I?'1= ||I?'1

2.2 不同配電網連接方式的合環條件推導

考慮江西12家城網10 kV網架結構，將合環方式分為以下三種：聯絡開關兩側饋線來自同一10 kV母線；聯絡開關兩側饋線來自不同110 kV變電站；聯絡開關兩側饋線來自同一110 kV變電站不同10 kV母線。下面分別對不同配電網連接方式的合環條件進行推導。

1）合環點兩側饋線來自同一10 kV母線

聯絡開關兩側饋線來自同一10 kV 母線，見圖3所示。I?c為合環后的循環電流，合環后饋線1 的首端穩態電 流 為I?'1=I?1+I?c。由于合環后功率 由 母線流向兩條饋線，所以Ic＜I2。

圖3 合環點兩側饋線來自同一10 kV母線

上節已推導出簡化的合環條件為I1+Ic＜Imax，則合環條件為：

即合環前饋線1、2 電流值的和小于最大容許載流量。

2）合環點兩側饋線來自不同110 kV變電站

聯絡開關兩側饋線來自不同110 kV 變電站，如圖4 所示。同樣合環后穩態電流值不超過饋線最大容許載流量，I1+Ic＜Imax。

圖4 合環點兩側饋線來自不同110 kV變電站

為方便計算，考慮線路滿足n-1，即I1＜50%·Imax，所以合環條件為：

進一步對公式進行推導，繪制出合環點兩側饋線來自不同110 kV變電站的合環等值電路圖，見圖5。

圖5 合環點兩側饋線來自不同110 kV變電站的等值電路

通過等值電路計算合環后的循環電流：

式中：XH1、XH2為10 kV 以上線路及變壓器換算至10 kV 電壓等級的系統側等效電抗R1、R2、X1、X1為饋線1和饋線2的線路阻抗及電抗，可由線路參數計算得到。

為滿足Ic＜50%Imax，得出合環點兩側電壓向量差的有效值需滿足條件，即：

3）合環點兩側饋線來自同一110 kV變電站不同10 kV母線

合環點兩側饋線來自同一110 kV 變電站不同10 kV 母線，計算方式與合環點兩側饋線來自不同110 kV 變電站相同，不再贅述，同樣得到合環點兩側電壓向量差的有效值需滿足條件為：

2.3 合環條件計算表

由推導可知，當合環點兩側電壓向量差的有效值滿足公式（6），即可合環，將電壓向量差的有效值需滿足的計算結果實用化，固化到EXCLE表格如圖6所示。

圖6 合環條件計算表

根據線路參數計算得110 kV 變電站系統不同線徑的10 kV 出線合環允許電壓差查找列表，見表1 至表3，單位為kV。

表1 線徑240 mm2合環允許電壓差查找列表kV

表2 線徑185 mm2合環允許電壓差查找列表kV

3 合環條件判定方法仿真驗證

應用實例：陸家壟變電站三中I、II 線，來自陸家壟變電站I、II段母線，線路合環前具體參數見下表4。

表4 陸家壟變電站I、II段母線參數表

將線路參數帶入圖6 固化的excel 算法中，其中LGJ-240架空線路，Imax取600 A，合環前饋線電流不超過最大容許載流量的50%，即 ||I?1<50%Imax，取300 A。

圖7 陸家壟變電站三中I、II線合環仿真建模圖

合環點兩側電壓向量差仿真結果如圖8所示。

圖8 陸家壟變電站三中I、II 線合環點兩側電壓向量差仿真結果

得到陸家壟變電站三中I、II 線合環點兩側電壓向量差為 ||V?1－V?2= 0.41 kV < 1.21 kV，符合合環條件。合環后饋線電流的仿真結果如圖9所示。

圖9 陸家壟變電站三中I、II線合環后饋線電流仿真結果

根據仿真結果可知，合環后陸家壟變電站三中I、II 線的饋線電流均小于線路最大載流量，線路合環成功。

4 典型案例及應用

以九江公司兩條饋線為例：環城III線、湖濱小區I 線來自沿江變、陸家壟變兩個不同110 kV 變電站，線路合環前具體參數見表5，其線路圖如圖10所示。

表5 環城III線、湖濱小區I線參數表

圖10 環城III線、湖濱小區I線路圖

將線路參數帶入圖6 固化的excel 算法中，其中LGJ-240 架空線路，Imax取600 A，合環前饋線電流不超過最大容許載流量的50%，即< 50%Imax，取300 A。

圖11 環城III線、湖濱小區I線合環仿真建模圖

合環點兩側電壓向量差仿真結果如圖12所示。

圖12 環城III線、湖濱小區I線合環點兩側電壓向量差仿真結果

九江調度通過模擬合環的潮流分布，穿越功率較小即可合環來進行合環判定，得出陸家壟-沿江合環潮流，穿越功率為2.4 MW，可以合環。與文中合環判定結果一致，最終環城III 線、湖濱小區I 線成功進行合解環操作。

5 結語

隨著城市的發展和人民生活水平的不斷提高，用戶對供電可靠性的要求越來越高，對停電、甚至是短時停電都十分敏感，但10 kV 配網對于用戶接入、缺陷處理、設備定檢、維護、事故處理以及上級電網檢修需要等操作，經常使用先停電后倒電的方法，造成停電次數較多，時間較長，停電會嚴重地影響企業正常生產，也給人民生活帶來諸多不便。

文中提出了城網10 kV 配電線路合環條件判定方法，使用本方法提供的EXCLE 計算表或合環允許電壓差查找表，得到合環點兩側電壓向量差的有效值范圍，作為合環的判定條件，縮小停電范圍及時間。

下一步將結合配電自動化的推廣，進一步研究測量合環點兩側電壓差的簡便方法，推進合環判定方法落地應用。同時在全省城網推進合環判定方法，檢修時實現不停電倒負荷，減少停電時間及次數，力爭全省城網供電可靠性提高。