一種合解環裝置的設計與應用

陳云彪，于 杰，丁宇海

（臺州電業局，浙江 臨海 317000）

0 引言

在電網運行中，為保證持續供電，合解環操作是常見的操作之一。據統計，臺州地區超過95%的倒換負荷都涉及合解環操作。

在合解環操作中，應盡量避免電磁環網和環路電流對電網設備的影響。為了避免合環過程中的環路電流造成設備越限運行，調度人員會在合解環操作前利用EMS（能量管理系統）進行模擬操作和狀態分析。如果在模擬操作中出現設備滿載或越限等情況，為了保證電網穩定運行，調度人員更傾向于停電操作，使供電的可靠性降低，同時也大大增加了操作時間。

為了減小合解環操作對電網穩定的影響，國內已開展相應的研究。文獻[1]建立了電網合環模型，并對電網合環時的沖擊電流進行研究。文獻[2]分析了導致電網合解環操作失敗的原因。文獻[3]分析了電網合環時電磁環網對電網的影響。上述研究都傾向于離線應用，未從縮短電磁環網時間、增加設備可靠性方面入手。本文提出采用新型的合解環裝置，不僅可以縮短合解環操作的時間，同時能減少對電網設備的沖擊，避免誤操作的風險，增加電網在合解環過程中的可靠性。

1 合解環操作對電網的影響

在合解環操作時，影響電網安全運行的主要因素有電磁環網、潮流分布改變以及對繼電保護裝置的影響。

1.1 合解環操作對電磁環網的影響

電磁環網是指不同電壓等級的輸電線路通過變壓器的電磁回路連接構成環形網絡，會對電網穩定運行產生一些不利的影響。為了保證供電的可靠性，電力系統大多采用閉環設計。當高一級電壓線路因事故斷開后，該線路所帶的負荷將通過低一級電壓線路送出，導致低一級電壓線路越限運行，破壞導線熱穩定性并有可能引起繼電保護裝置動作。同時，由于高壓線路應故障而突然開斷時，系統間的聯絡阻抗將顯著加大，極易超過聯絡線的暫態穩定極限，隨之發生系統震蕩，造成機組解列和大量負荷損失。國內外與電磁環網相關的事故屢見不鮮，我國1970年至1990年間共發生與電磁環網相關的事故55次。1996年，美國西部電網大停電也與電磁環網有直接的聯系[4]。因此，為了減少電磁環網對電力系統的影響，成熟的電網一般采用開環方式運行。

在電網倒閘操作時，為了保證為用戶持續供電，需要進行合解環操作，在合解環操作時應盡量縮短電磁環網的時間。

1.2 合解環操作對潮流分布的影響

合環前，由于合環點兩端的電氣距離不同，在合環點會存在電壓差和相位差。因此，在合環后會產生合環電流，影響系統的潮流分布。如果合環電流過大，可能會引起設備越限或繼電保護誤動等破壞電網穩定運行的危險因素，因此，合環時要考慮合環電流對設備的影響。

如圖1所示，在合環前，系統潮流為電源1流向受電端，聯絡開關K斷開。當K點合環以后，系統潮流發生改變，此時，系統潮流方向有兩種可能，如果電源1和電源2的電氣距離相差不大，潮流由電源1和電源2流向受電端，如圖2所示。

圖2 合環后系統潮流分布（情況1）

但如果電源1的電氣距離遠小于電源2，此時，電源1不但要帶受電端的全部負荷，電源2的部分負荷也將轉由電源1來提供，如圖3所示。此時會加重電源1的負擔，可能導致電源1的設備過載，不利于系統的正常運行。

1.3 合解環操作對繼電保護裝置的影響

圖3 合環后系統潮流分布（情況2）

為了避免線路發生瞬時故障時重合失敗，目前大部分橋接線的110kV變電站受電端線路不配置保護裝置，且大部分線路保護的定值按照正常開環運行方式整定。合環時，會存在保護失配的問題，受電側變電站存在全停的風險[5]。

圖4中，P1和P2為線路的送電端，P1和P2處的線路保護在正常情況下投入；P3和P4為線路的受電側，P3和P4處的線路保護在正常運行情況下退出。在合解環操作時，如果在K點出現短路故障，由于在合環時該110kV變電站為雙電源供電，P2點保護動作后故障并未被隔離，P1點保護也會動作并切除線路，導致受電側110kV變電站全站失電，損失大量負荷。

圖4 線路故障

1.4 傳統合解環操作過程及其弊端

基于以上這些因素的影響，調度值班人員進行合解環操作時，除了要盡量縮短合環時間外，還需要考慮以下幾個因素：

（1）合環點兩側相位一致。

（2）合環點兩側電壓差在20%以內。

（3）合環點兩側電壓相角差不超過20°。

大多情況下，只要考慮以上因素就可以有效限制環路電流對電網設備的沖擊。但是對某些有可能越限的設備，調度人員在進行合環操作前還需要利用EMS中的潮流分析軟件進行模擬合環操作。經過計算，如果環路潮流已接近或達到設備額定容量，為謹慎起見，調度人員需要轉移部分負荷，或者采用停電操作，從而會降低供電可靠性，或者會增加操作時間，尤其是事故處理時會延長事故處理的進程。

2 新型合解環裝置的基本原理

為了增加合環操作的可靠性，避免長時間電磁環網的影響，設計了新型合解環裝置，可以在極短時間內完成合解環操作。合解環裝置的基本原理如圖5所示。

圖5 合解環裝置原理

K1，K2和K3為合環開關的輔助接點，D1，D2和D3為合環開關跳閘的出口壓板，TA1，TA2和TA3為合環開關間隔電流互感器的二次回路。當裝置啟動后，其中1塊出口壓板置接通位置，接通解環點開關的跳閘回路。當所有合環開關均處合位時，輔助接點開關K1，K2和K3均接通，且TA1，TA2和TA3均有電流通過，啟動跳閘回路，跳開解環開關，電網解環成功。裝置的動作流程如圖6所示。

圖6 裝置動作流程

3 具體應用

臺州地區某區域電網合環前后的運行情況如圖7所示。合環前，110kV丙變電站為受電端，由220kV乙變電站供電。由于計劃檢修需要，將110kV丙變電站的負荷轉由220kV甲變電站供。在合環過程中，由于甲變電站的電氣距離遠小于乙變電站，110kV電網的潮流方向發生改變。甲變電站的T1變壓器不僅要為丙變電站提供負荷，同時還需承擔乙變電站Bus2母線的部分負荷，大大加重了甲變電站T1變壓器的負擔，影響T1的安全可靠運行。

圖7 某區域電網合環前后潮流變化

為了避免因合解環操作影響電網的穩定運行，需要快速切除解環線路。為此，在110kV丙變電站加裝了合解環自動裝置，減小合環操作對設備的影響。為了與送電側的保護配合，躲開距離Ⅱ段保護的動作延時，將合解環裝置的動作時限整定為0.3 s。裝置自2008年投運以來，經過了3年近50次的實際操作，驗證了該裝置能有效避免主變壓器在合解環過程中過載。同時，合解環操作時間由5～10 min縮短為0.3 s，大大減輕了電磁環網和合環電流對電網設備的影響。

4 結語

合解環操作是電網運行的常見操作。本文分析了電網在合解環操作中存在的問題，介紹了為解決這些問題而設計的合解環裝置。經過臺州電網的實際運行，驗證該裝置能有效降低誤操作的風險，縮短電網合解環操作時間，減小電磁環網的影響，提高電網可靠性。

[1]葉清華，唐國慶，王磊，等.配電網合環操作環流分析系統的開發和應用[J].電力系統自動化，2002，26（22）∶66-69.

[2]曹新頻，汪衛華.配網合環失敗原因分析[J].電工技術，2001（1）∶57-58.

[3]金長軍，張海濤，李煉.220～110kV電磁合環典型分析[J].電氣技術，2011（10）∶84-89.

[4]雷曉蒙.美國西部1996年兩次大面積停電事故初步分析[J].中國電力，1996，29（12）∶62-67.

[5]王翠霞.關于110kV電磁環網合環開關保護的應用及定值整定原則[J].電氣傳動自動化，2008，30（5）∶56-58.