20kV配電網異母合環運行關鍵技術研究

深圳前海蛇口自貿區供電有限公司 周世海 曾春華

深圳前海蛇口自貿片區于2015年4月27日掛牌成立，是中國（廣東）自由貿易試驗區的一部分，總占地面積約30km2。前海供電自貿區作為現代服務業體制機制創新區、現代服務業發展集聚區、香港與內地緊密合作的先導區和珠三角地區產業升級的引領區，將打造成粵港現代服務業創新合作示范區，粵港澳深度合作示范區和城市新中心。前海供電自貿區供電公司為滿足片區用戶高可靠性的供電需求，努力打造國際先進供電企業的品牌。提出建設成技術先進、清潔高效、安全可靠、環境友好的現代城市智能配電網，圍繞這一目標，前海供電自貿區設定了以下發展方向和要求：

一是在前海供電自貿區內采用全電纜線路供電，降低環境條件對電網運行穩定性的影響；二是前海供電自貿區采用220kV直變20kV電壓等級供電，取代傳統的10kV電壓等級，與10kV線路相比輸送容量更大、損耗更小，較大程度節約用地、減少電網總投資；三是20kV配電網異母合環運行，線路上單一故障不影響用戶供電，較大的提高用戶供電可靠性；四是根據政府“碳達峰、碳中和”的總體規劃，前海供電自貿區電網將逐步接入屋頂光伏等可再生能源。

1 異母合環運行方式概述

前海供電自貿區20kV配電網采用二線合環加聯絡的接線方式，如圖1所示。以前海220kV某變電站為例，該變電站總共建設4臺220kV主變，20kV側采用單母四分段接線方式，20kV側兩兩并列運行（如K5、K6開關合）。并列運行的20kV母線各出一條線路組網形成一個環，合環運行。每段20kV母線有專用接地變壓器經小電阻接地，為單相接地故障提供零序通路；當20kV異母合環運行時，同一20kV系統只投入一臺接地變。

圖1 前海片區20kV系統二線合環加聯絡

一般每組合環單元通過兩條聯絡線與另外兩組合環單元連接。但在有條件保障合環單元通過一條聯絡線完成跨合環接線單元轉供的情況下只配置一條聯絡線，對可靠性要求稍低的區域只配置一條聯絡線。

2 20kV配電網異母合環運行的風險

20kV配電網異母合環運行有利有弊，但總體來說利大于弊。20kV配電網合環后當供電系統發生單一故障時，環網內用戶供電不受影響。隨著前海區域配電網合環改造進程的加快，20kV配電網異母合環運行模式將逐步推廣，對提高該區域供電安全性、可靠性將起到很大的促進作用，為智能化電網建設奠定了堅實的基礎[1]。同時，也存在以下幾個方面的風險。

2.1 環網潮流的雙向性

20kV配電網異母合環運行后，母線無電壓差、相位差，但是環路內的主變、線路阻抗不同，也會不同程度出現環流。環網的潮流走向與合環運行兩段20kV母線的總負荷及合環線路本身負荷情況有關，隨著不同階段負荷的變化，環網的潮流方向可能存在不確定性，所以20kV配電網的潮流已經不是單向流動。同時，如果各出線會因為線路長度、電纜型號、材質、環境溫度等差異，使各線路的阻抗不同，將會面臨潮流分配不均的問題，阻抗大的線路電流較小，阻抗小的線路電流較大，不利于經濟運行，電流大的線路發熱嚴重，發生故障的概率變高。

2.2 出線故障時，保護的選擇性不夠

傳統20kV及以下中壓配電網線路的保護標準配置速斷、過流等保護，對于輻射狀配電網保護性能是滿足要求的。前海供電自貿區國內首創采用20kV配電網異母合環接線方式，與傳統輻射狀配電網相比存在潮流方向的不確定。假設還在按照傳統保護配置開展20kV異母合環運行，將面臨保護選擇性不夠，有可能導致故障范圍擴大，甚至向上一級電網蔓延的風險。如20kV線路速斷定值考慮拉手情況下，對線路末端故障有靈敏度，線路Ⅰ和線路Ⅱ上任意一點故障（如圖2所示），線路Ⅰ和線路Ⅱ保護均會動作。主變兩級后備保護作為母線及出線故障的后備保護，時間與出線配合，任意20kV線路近區故障，變電站內20kV開關或線路保護拒動，后備保護無法區分故障點在哪一段母線，主變后備保護會同時啟動，犧牲了選擇性。電流保護整定值的選擇、保護范圍及靈敏系數受電網運行方式影響很大，很難滿足選擇性、靈敏性及快速切除故障的要求，所以需要尋求新的繼電保護方案滿足前海高供電可靠性需求。

圖2 20kV異母合環運行

2.3 零序保護可靠性

前海供電自貿區20kV系統采用經小電阻接地運行方式，各出線均配置了零序保護，為保證零序保護的靈敏性，同一個20kV系統只投入一臺接地變（20kV異母合環運行即為同一系統），若是高阻抗接地故障，零序電流較小，也會影響零序保護的靈敏性。當接地變本身有故障跳閘或20kV母聯開關跳閘時，20kV系統將失去中性點接地，變為非接地運行系統，此時零序保護將失去作用。

2.4 故障導致設備過載

異母合環運行，兩臺主變并列運行，當其中一臺主變故障跳閘后，將由其中一臺主變運行供兩段20kV母線全部負荷。20kV出線通常是兩回線路共同承擔環路的負荷，在其中一回運行線路發生故障時，由另一回線路運行供環路全部負荷，有過載的風險。當異母合環的母聯開關因電網原因斷開，而線路二級環未可靠解環的情況，也可能會因環路潮流過大而過負荷。

2.5 系統綜合阻抗變小

20kV配電網異母合環運行后，20kV系統的短路阻抗約為原來的二分之一，20kV系統故障的短路電流約變為原來的兩倍，使得過流保護的保護范圍變小，同時對設備的動熱穩定性提出更高的要求；短路電流超過斷路器遮斷容量，事故情況下可能斷不開。如20kV線路上級電源來自同一220kV系統，220kV線路距離Ⅱ段定值按保護線路末端故障有靈敏度，且躲過主變低壓側故障整定。20kV異母合環運行后，主變綜合阻抗變小，距離Ⅱ段躲不過主變低壓側故障，有可能造成越級跳閘。

2.6 分布式電源接入的影響

當前，節能減排、綠色能源、可持續發展已成為社會關注的焦點。近年來，深圳市政府也大力提倡辦公大樓建設分布式光伏，以提高可再生資源的利用。前海供電自貿區20kV配電網作為技術先進、清潔高效的新型配電網，分布式能源接入數量也會越來越多，對20kV配電網的潮流、電能質量、繼電保護等方面也會有一定的影響。

3 20kV配電網異母合環運行風險控制措施

3.1 環路內用戶規劃容量滿足N-1

20kV異母合環運行的兩臺220kV主變并列運行，為保證其中一臺220kV主變故障跳閘后，另一臺主變能夠帶全部負荷而不過載，那么并列運行兩臺主變負荷只能按一臺主變的容量規劃，即正常運行方式下主變負荷率不能超過50%。為保證在故障情況下一回線路能夠供環路內的負荷，環路內用戶規劃容量要求，每個環路的總負荷不應超過單回線路的額定載流量，即正常運行方式下線路負荷率不能超過50%[2]。前海供電自貿區在變電站的Ⅰ-Ⅱ分段開關、Ⅲ-Ⅳ分段開關各配置1套智能終端裝置，通過硬接點取變低后備保護出口跳20kV分段、接地變保護出口跳20kV分段和異母合環其他保護出口跳20kV分段信號，再經GOOSE網，聯切配網合環節點，可以有效避免20kV母聯開關人為斷開等情況，出現因合環循環電流過大造成的過載運行的情況。

3.2 20kV配電網異母合環運行系統保護配置

前海供電自貿區配電網異母合環運行，配網潮流具有雙向性，僅僅配置過流、速斷、零序保護已無法滿足快速、準確隔離故障的要求。電流光纖差動保護具有原理簡單、運行可靠、保護動作迅速、故障范圍明確等優點，在110kV及以上電網系統中標配，對保證電網安全穩定運行起到了很大的作用[3]。電流差動保護基于基爾霍夫定律，檢測差動回路內的電流差，能夠非常準確的區分區內與區外故障，快速動作跳開故障點各側開關，從而隔離故障，達到高靈敏性、高可靠性的要求。經過研究分析，為了確保20kV配電網異母合環能安全可靠運行，前海供電自貿區20kV系統主保護采用縱聯差動保護作為主保護，縱聯差動保護選用光纖通道；速斷、過流保護作為后備保護。20kV線路發生任何故障，電流光纖差動保護都能夠快速、準確的跳開線路相鄰兩側開關，并且不影響用戶的供電。

為保證在站內母線故障及單側開關拒動情況下，避免合環線路充當母聯，繼續向故障點提供短路電流，當變電保護動作（除母差保護外）跳開20kV分段開關時，需通過智能終端，動作跳開合環線路合環點開關及其對側開關，實現合環線路解環。

20kV母線單相接地故障時，接地變保護動作斷開20kV母聯開關和20kV饋線聯絡開關，兩臺主變和各自饋線分列運行，一段帶接地變運行，一段無接地變保護運行；接地變本身有故障跳閘，20kV系統也將失去中性點接地。為保證在這種情況下電網能夠安全穩定運行，前海供電自貿區20kV母線配置了零序過壓解列裝置，配置兩段零序過壓，一段跳分段并聯跳配網線路解列點，二段跳主變變低。在接地變不并列運行的情況，能夠可靠切除接地變未投入母線段單相接地故障。

3.3 20kV異母合環運行抗短路能力校驗

以前海供電自貿區某220kV變電站為例，阻抗參數如圖3所示。

圖3 某220kV變電站等值阻抗圖

一是基準容量取：Sj=100MVA，對應20kV系統：Uj=21kV、Ij=2.75kA，220kV系統：Uj=231kV、Ij=0.25kA。

二是該變電站220kV母線短路電流45.38kA，可推算出系統短路阻抗X＊c約0.00551，。

四是該220kV變電站220kV 1#、2#主變并列運行時，20kV出線三相短路：

短路總阻抗：

三相短路電流：

三相短路電流峰值：

綜上，該220kV變電站220kV 1#、2#主變并列運行時，20kV線路三相短路電流最大不超過20kA，20kV出線開關能夠可靠分閘。若考慮20kV線路末端發生三相短路，加上線路阻抗后20kV線路三相短路電流會小于18.4kA。通過短路電流計算結果可以看出，異母合環運行的兩臺并列運行220kV主變應盡量選用阻抗較高的變壓器，或通過加裝限流電抗器等措施將短路電流限制在20kA以內，保證電網運行的安全穩定。

3.4 20kV系統零序保護校驗

某220kV變電站20kV系統經小電阻接地，接地電阻值R=20Ω（暫無接地變零序阻抗數據）。同一個20kV系統只投入一臺接地變，20kV母線并列運行時即為一個系統，20kV線路零序電流保護的定值整定為60A。單相接地故障零序電流：

通過計算可以看出，單相接地故障時零序保護有足夠的靈敏度。

3.5 分布式電源接入分析

分布式電源接入20kV配電網能夠接地消納，一定程度上降低線路的負載。已配置了能夠快速切除故障的光纖差動保護，能夠有效應對分布式電源接入引起的潮流方向不確定性，提供了技術保障。對于合環運行的前海配電網，當一段線路單一故障時，分布式電源仍可通過另一側并網，不中斷發電，保證了分布式電源運行的穩定性。綜上所述，采取配電網異母合環運行，在已經配置較完善的保護裝置的情況下，分布式能源的接入利大于弊。

4 結語

隨著我國經濟建設的快速發展，電力負荷增長迅速，人們對供電的可靠性和電能質量要求越來越高，更加注重用電體驗感。然而國內傳統配電網系統，采用閉環設計、開環運行接線，對于前海供電自貿區這種負荷密度大、供電可靠性要求高的區域，已無法滿足其用電需求。前海供電自貿區配電網是一個正在建設之中的全新配電網，針對其國內首創的20kV系統異母合環運行，以及未來一段時間分布式能源的接入，對電網運行將帶來的影響，都值得長期進行研究探討，以及研究其運行的支撐技術，為20kV及以下配電網的建設和運行提供理論指導。鑒于此，筆者基于前海供電自貿區20kV配電網系統異母合環運行現狀，進行了研究探討，希望能為我國電力事業的發展做出一些貢獻。