10 kV配電網合環電流暫態過程的分析與仿真

姜瀚書，孫翀也，賈彥兵，楊龑亮

(1.吉林省電力有限公司電力科學研究院吉林長春130021;2.東北電力大學，吉林吉林132012)

0 引言

配電網絡最大的特點即閉環結構、開環運行［1-2］。其中每個負荷都由單一的母線供電，不同母線所帶的負荷區域用聯絡開關隔離，形成供電負荷島。正常情況下，為保證配電網的輻射狀運行結構，聯絡開關一般開斷運行。配電網雙向供電和多電源供電的供電模式日益增多，若選擇適當的供電路徑進行合環操作，則可增強配電網絡的供電可靠性。但在合環瞬間，系統將產生很大的沖擊電流，穩定后環網中還可能產生較大的環流，造成某些電氣設備或線路過載，使繼電保護裝置動作跳閘，對整個電網的安全運行造成嚴重影響［3］。以往對配電網合環的研究以分析合環穩態電流為主，對合環暫態過程的研究較少［4］。本文通過建立典型配電網合環系統數學模型，從理論上推導出合環暫態至穩態的全電流數學表達式，得出合環最大沖擊電流和最大有效值電流的計算公式，分析了影響合環沖擊電流的因素，并利用電力系統軟件PSCAD/EMTDC對實際算例進行暫態仿真計算，以驗證理論分析的正確性和有效性。

1 合環暫態過程分析

1.1 計算模型

配電網合環示意圖如圖1所示。圖1(a)為一種典型的配電網合環情況。正常方式下，合環聯絡開關在斷開位置，網絡為開環運行。當進行合環操作時，由于合環前母線1和2之間存在電壓差，因此在合環瞬間將產生較大的沖擊電流。而整個環路呈感性，故合環至穩態應是一個振蕩衰減的暫態過程［5］。為了分析計算方便，根據配電網參數和本身結構的特點對系統進行如下簡化:忽略線路電納，在合環支路使用集中參數模型，不考慮合環開關在線路中的位置分布及作用。簡化后的等值電路模型如圖1(b)所示，圖中R和L分別代表環網中所有電氣元件的電阻和電感。

圖1 配電網合環示意圖

1.2 理論分析

電力系統三相對稱，以A相為例，計算合環沖擊電流暫態過程的單相等值電路模型如圖1(c)所示。圖1(c)中合環點兩側電壓差等效為A相相電壓e(t)。

合環電路的時域微分方程為

利用拉普拉斯變換，將時域非線性微分方程轉換為復頻域中的代數方程進行求解。

對式(2)兩邊取拉普拉斯變換，得

合環前合環支路上沒有電流通過，故電感中的初始電流i(0_)為零。因此

比較式(4)、(5)中s的系數，并根據三角函數公式化簡，環路阻抗功率因數角環穩態電流幅值可推導出

對式(5)進行拉普拉斯反變換并代入式(6)，得到時域中合環電流的完全表達式為

由于三相對稱，只需將(α-120°)和(α+120°)代替式(7)中的α，就可以得到B相和C相全電流表達式。由上述分析可知，三相中的直流電流是不相等的，它們的起始值不可能同時達到最大或零。三相中的穩態合環電流為3個幅值相等、相角相差120°的交流電流。

2 合環沖擊電流的計算［6］

從式(7)中可以看出，合環電流由交流分量iac和直流分量idc組成，即

式中iac為合環穩態環流周期分量，其幅值Im的大小取決于合環點兩側電壓差和環網總阻抗;iac為呈指數規律衰減的非周期分量，其起始值idc0取決于合環時刻的初始狀態;衰減時間常數由環路中電阻R與電感L的比值決定。直流分量值越大，合環電流瞬時值就越大，在合環點兩側電壓幅值差和環路阻抗一定的情況下，其大小由合環點兩側電壓相角差所決定。

式中kM為沖擊系數。對于具體的配網環路，最大沖擊電流值等于穩態環流幅值乘以1個固定的系數，工程計算中一般取1.8～1.9。從上述分析可以看出，合環瞬時沖擊電流的大小與合環點兩側電壓差近似成正比，與環路總阻抗近似成反比，還與電壓的相角差有密切關系［7］。因此，為保證合環安全，應調整運行方式，盡量減小合環點兩側電壓的幅值差和相角差。

圖2 初始狀態合環電流相量圖

在配電網電流速斷保護中，電流的整定值取有效值，因此需計算在合環暫態過程中的最大有效值電流IM。容易得出IM發生在合環后的1/2個周期內的值，表達式為

3 實際算例仿真計算

本文選取佳木斯市區10 kV配電系統典型線路聯絡開關合環算例(如圖3所示)，通過調度SCADA系統獲取電網實際運行工況(線路、變壓器參數、負荷、變壓器分接頭位置等)，利用電力系統電磁暫態仿真軟件PSCAD/EMTDC搭建系統模型，對合環沖擊電流的暫態過程進行仿真計算。

圖4為合環后三相沖擊電流的暫態波形。由圖4可見，三相的瞬時電流并不是同時達到最大值，三相的沖擊電流A相較大而B相較小，A相最大瞬時電流出現在合環操作約1/2個周期(0.01 s)后;三相的穩態合環電流幅值相等，相角相差120°。這與上述理論分析是一致的。合環電流分相計算結果如表1所示。通過仿真計算，可得出影響合環沖擊電流的主要因素為合環點兩側電壓幅值差、相角差以及整個環網的總阻抗。

圖3 配電網合環系統

圖4 三相合環沖擊電流暫態波形

表1 三相合環電流計算結果

當利用仿真計算發現合環電流超過設備容量限額或不能滿足繼電保護要求時，可通過調整變壓器分接頭、投切電容器、調整負荷分布和改變環網參數等方法控制合環電流的大小，以保證合環操作的安全［8-10］。其中調整變壓器分接頭是比較有效、常用的方法。通過改變變壓器分接頭，可以有效地減小合環點兩側電壓差，從而減小合環電流的大小。其調整的原則是根據潮流計算結果將電壓幅值較高側的電壓降低、幅值較低側的電壓升高，盡量使合環點兩側電壓幅值接近。表2為通過調整主變檔位來降低配電網合環沖擊電流的計算結果，圖5為主變檔位調整前后沖擊電流對比仿真波形(以A相為例，其中虛線是調整后的電流暫態波形)。可見，通過改變變壓器分接頭調整合環點兩側電壓相量差，對合環沖擊電流的控制有顯著的作用。

表2 變壓器分接頭調整前后的合環電流計算結果

圖5 調整變壓器分接頭對合環沖擊電流的影響

4 結論

對配電網合環操作時，考慮合環穩態電流值的同時不能忽視合環瞬間沖擊電流的影響。沖擊電流過大會使線路和電氣設備承受巨大的電動力沖擊，致使導線變形，設備損壞，造成繼電保護誤動，導致合環操作失敗［11］。本文在合環暫態過程理論分析的基礎上，基于調度SCADA系統獲取的電網數據，結合佳木斯市區10 kV配電網典型合環系統建立等值模型，對合環沖擊電流進行了仿真計算，指出影響合環電流大小的主要因素是合環點兩側電壓幅值差、相位差以及環網總阻抗，探討了不滿足合環安全條件時可以采取的措施，并特別分析了調整合環點兩側電壓差對控制合環沖擊電流的作用。仿真計算結果表明，本文所用的方法可以有效地分析配網合環暫態過程，采用的數學模型是正確的，可以在實際工作中為調度運行人員進行合理的合環操作提供決策依據，保證配電網安全、經濟運行。

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