包頭電網輕重負荷區110 kV電網合環電流控制分析

尹瑞君

（包頭供電局，內蒙古 包頭 014030）

0 引言

隨著內蒙古地區電網的發展，包頭電網現已建成以高新變、包北變、威俊變、春坤山變、梅力更變、百靈變6座500 kV變電站為電源支撐，以500 kV相互聯絡，局屬23座220 kV變電站為核心的東、西、南、北四個相互獨立的220 kV供電區域的大型電網，地區東部供電區域以500 kV包北變和威俊變為中心，由包北變、威俊變與沙河變、古城變、沙爾沁變、土右變、達旗電廠、濱河變、麻池變、興勝變、召廟變、莫尼變形成的500 kV、220 kV電磁環網構成，主要接帶包鋁等大工業負荷的輕負荷區域；西部供電區域以500 kV高新變1號、5號主變和梅力更變為中心，由高新變1號、5號主變、梅力更變與張家營變、民勝變、九原變、昆河變、鹿鋼變、通威變形成的500 kV、220 kV電磁環網構成，主要接帶包鋼、通威、西沙灣、明拓、神華煤化工等大工業負荷的重負荷區域。東、西兩個供電區域的220 kV聯絡線為張家營變與召廟變的張召雙回，為冷備用狀態。

地區電網實行分層分區運行后，給電源分別取自東、西兩個區域的110 kV變電站的合環操作帶來很大影響。以往因為在同一個區域內，110 kV變電站合環倒負荷操作產生的合環電流在允許范圍內。但從東、西兩個區域的聯絡線路220 kV張召雙回解環后，110 kV變電站進行合環倒負荷操作時，合環瞬間將產生較大的沖擊電流，從東部輕負荷區域流向西部重負荷區域的穩態電磁環網潮流將造成110 kV合環線路過載，直接影響電網的安全性和穩定性。

針對上述問題，包頭供電局調度處在合環操作前對合環電流進行計算，判斷合環電流是否越限，為調度提供依據，但實踐操作表明，該方法誤差較大。本文根據多年的調度運行經驗，結合電網方式改變前后潮流變化和合環電流的影響因素等，以包頭電網合環電流最大的河西變110 kV母聯合環操作為例，提出電源線路分屬輕重負荷區時合環電流控制措施。

1 系統接線與合環條件

包頭電網220 kV張家營變、召廟變系統潮流圖如圖1所示。一次系統接線圖如圖2所示。

地區電網合環操作主要分為同電壓等級的合環和不同電壓等級的運行線路經變壓器電磁回路連接而構成的電磁合環[1-2]。根據電力系統調度規程，分區運行的電網在合環時應滿足同一系統下、相位正確、電壓差在20%以下3個條件[3]。河西變滿足同一系統這一合環要求。

2 河西變合解環操作分析

2.1 合環前運行方式

合環操作前，110 kV河西變、220 kV召廟變及張家營變運行方式如下：

（1）河西變電源分別取自220 kV張家營變和召廟變，其中召河線111開關帶110 kVⅠ母、1號主變系列運行；河西線121開關帶110 kVⅡ母、2號主變系列運行；母聯110開關、310開關、910開關為熱備用。

（2）召廟變兩臺主變壓器220 kV側、110 kV側并列運行，10 kV側分列運行，母聯212開關、110開關合環運行，母聯910開關熱備用；召河線156開關在110 kVⅡ母運行，正常情況下允許最大電流為610 A。

（3）張家營變3臺主變壓器220 kV側、110 kV側并列運行，10 kV側分列運行，其中3號主變壓器10 kV低壓側無電氣接線；母聯212開關、110開關合環運行，母聯910開關熱備用；河西線111開關在110 kVⅠ母運行，正常情況下允許最大電流為600 A。

2.2 合解環操作

如圖2所示，當110 kV河西線計劃停電檢修時，地調調度員需要通過合解環操作，將河西變河西線121開關所帶110 kVⅡ母、2號主變系列負荷轉移至召河線111開關帶。合環操作前，一般先調整220 kV張家營變、召廟變主變壓器的分接頭進行調壓，使河西變母聯110開關兩側母線電壓接近相等，然后進行母聯110開關合環操作，最后拉開河西線121開關解環。

實踐證明，雖然合環點兩側電壓接近相等，但合環操作仍然會產生很大的合環電流，基本在650~920 A波動。合環電流出現這種波動是由合環操作的時間段不同（高峰、平段、低谷）和兩個區域負荷變動造成的。

2.3 合環后環流方向

合環后產生的穩態電磁環網潮流，由220 kV召廟變通過合環線路召河線、河西線流向220 kV張家營變110 kV母線，一部分在110 kV母線上實現就地平衡，另一部分通過主變壓器進入220 kV系統，形成的環流造成合環線路過載。

2.4 影響合環電流的因素

2.4.1 合環電流產生原因

河西變進行合環操作時,合環線路的兩側電源處于分列運行狀態,它們之間的聯絡開關在斷開位置，其上級220 kV電源召廟變、張家營變為開環運行，500 kV電源為環網運行。分析合環電流產生的主要原因如下：

（1）聯絡開關兩側變電站母線存在電壓差；

（2）聯絡開關兩側合環線路對應的系統阻抗不同；

（3）聯絡開關兩側合環線路對應的系統負荷相差過大。

2.4.2 合環電流產生過程

地區電網母線間進行合環操作時，由于合環前合環線路兩側存在電壓差，即ΔU≠0，當合環開關閉合時，兩端的電壓差發生突變，必然引起環網內各節點電壓大小和角度的變化，連接于環網的發電機的電勢和角度也將隨之產生變化。但發電機的轉子是有慣性的，發電機的角度，也就是轉子的角度不能突變，需要經過一個搖擺過程才能達到新的穩態值，因此當合環開關兩側的電壓相角或頻率不相等時，發電機和環網線路合環后必將產生功率振蕩，從而產生沖擊電流和電磁環網的環流[4-5]。

2.4.3 合環電流影響因素

將合環電流產生的原因與調度SCADA系統監測到的環網路徑的數據量值結合起來，分析合環電流大小主要與以下因素有關：

（1）合環線路所屬分區不同；

（2）合環前合環開關兩側存在電壓差；

（3）電源點到合環點供電路徑的相關主變壓器的阻抗；

（4）電源點到合環點供電路徑的相關主變壓器所帶負荷；

（5）合環線路所帶負荷。

上述因素中（3）—（5）是通過影響電壓相位差來影響合環電流的。

3 合環電流控制措施

3.1 調整系統電壓，控制無功潮流

由于電磁環網潮流中的無功潮流是從電壓高的節點流向電壓低的節點，因此控制電壓（合環點兩側電壓幅值）能夠有效控制無功潮流。合環前，通過改變張家營變主變壓器分接頭或投入張家營變電容器，提高河西變110 kVⅡ母電壓至116.5 kV；通過改變召廟變主變壓器分接頭或退出召廟變電容器，降低河西變110 kVⅠ母電壓至114 kV，使合環點兩側母線電壓差為2.5 kV（西部重負荷區域110 kVⅡ母電壓高于東部輕負荷區域110 kVⅠ母電壓），再進行合環操作，使得環流基本在允許范圍之內，保證合環線路不過載。該方法在實際操作中經過多次驗證，電壓差值取1.8~2.5 kV可行且效果明顯（前提條件為電壓在合格范圍之內）。

3.2 改變環網阻抗，減小電壓相位差

當合環線路對應的系統阻抗相差較大時，即使合環點兩側變電站的母線電壓相同，合環操作也會產生很大的合環電流，究其原因是系統阻抗不平衡[2]。因此要減小合環電流，最根本的方法是將110 kV變電站的兩條進線電源改接至同一個220 kV變電站內，使其系統阻抗平衡。在電網結構已定的情況下，要改變系統阻抗，減小合環電流，只能改變系統運行方式。但實際操作中電網大范圍的有功潮流轉移存在諸多困難[2]。

有功潮流的流向是由系統兩端電壓的相位決定的（從相位超前的流向相位滯后的）。根據河西變合環的潮流流向、潮流大小，110 kVⅠ母電壓超前110 kVⅡ母電壓，110 kVⅠ母相位角遠大于110 kVⅡ母相位角，合環點處的電壓相位差較大。而產生電壓相位差的原因是兩側合環線路對應的系統阻抗不同，要改變其相位差就要改變系統阻抗[2]。

根據并列運行主變的總阻抗要小于分列運行主變的阻抗這一要求，可以小范圍調整變電站運行方式來改變系統阻抗。以河西變為例，合環操作前，可將張家營變110 kV母線由并列運行改為分列運行，增大環網阻抗；召廟變10 kV母線由分列運行改為并列運行，減小環網阻抗，減小合環點處的電壓相位差，再進行合環操作。該方法能夠有效降低合環沖擊電流，同時能夠在一定程度上減少電磁環網潮流中有功潮流流入張家營變。

3.3 調整環網負荷，減小電壓相位差

當合環開關兩側所帶負荷相差過大時，即使合環開關兩側變電站母線的電壓相同、系統阻抗比較接近，合環操作也會產生很大的合環電流[3]。其原因是合環點兩側的負荷會通過影響電壓相位差來間接影響合環電流的大小，而相位差與電網的結構和負荷分布有關，因此對合環點兩側的負荷進行適當調整，改變負荷分布，可以減小合環點的合環電流。

張家營變220 kV母線直接接帶包鋼、通威兩大工業用戶，負荷較重，導致河西變合環點處電壓相位差較大。要減小河西變合環點處的相位差，需改變包鋼、通威兩大用戶的運行方式，對其所帶負荷進行轉移，但該方法并不可行。建議對張家營變110 kV、10 kV母線負荷進行小范圍的局部調整：可將張家營變110 kV母線由并列運行改為分列運行，分流環網中的110 kV母線負荷；也可將張家營變1號主變壓器的10 kVⅠ母負荷轉移至2號主變壓器，降低1號主變壓器負載，降低環網內負荷，減小合環點處的電壓相位差，從而減小合環沖擊電流，降低電磁環網潮流。

3.4 控制合環電流注意事項

采取上述措施是在已經明確合環后潮流是由東部輕負荷區域流向西部重負荷區域為前提條件下進行的。如果西部重負荷區域的大工業用戶因某些原因出現降負荷或停產，造成西部區域電網潮流分布發生很大變化，此時東、西區域110 kV變電站進行合環倒負荷操作，需按照實際潮流流向分析合環電流控制措施。

4 結束語

通過對包頭電網東、西兩個供電區域的電網結構、潮流分布（高峰、平段、低谷）、負荷性質進行比較，分析110 kV電網合環前、后各變電站的潮流變化情況，結合多年調度運行工作經驗，提出了三種控制合環電流的措施，能夠解決電網合環存在環流過大的問題，確保電網的安全穩定運行。