10 kV配电网合环电流暂态过程的分析与仿真

姜瀚书，孙翀也，贾彦兵，杨龑亮

(1.吉林省电力有限公司电力科学研究院吉林长春130021;2.东北电力大学，吉林吉林132012)

0 引言

配电网络最大的特点即闭环结构、开环运行［1-2］。其中每个负荷都由单一的母线供电，不同母线所带的负荷区域用联络开关隔离，形成供电负荷岛。正常情况下，为保证配电网的辐射状运行结构，联络开关一般开断运行。配电网双向供电和多电源供电的供电模式日益增多，若选择适当的供电路径进行合环操作，则可增强配电网络的供电可靠性。但在合环瞬间，系统将产生很大的冲击电流，稳定后环网中还可能产生较大的环流，造成某些电气设备或线路过载，使继电保护装置动作跳闸，对整个电网的安全运行造成严重影响［3］。以往对配电网合环的研究以分析合环稳态电流为主，对合环暂态过程的研究较少［4］。本文通过建立典型配电网合环系统数学模型，从理论上推导出合环暂态至稳态的全电流数学表达式，得出合环最大冲击电流和最大有效值电流的计算公式，分析了影响合环冲击电流的因素，并利用电力系统软件PSCAD/EMTDC对实际算例进行暂态仿真计算，以验证理论分析的正确性和有效性。

1 合环暂态过程分析

1.1 计算模型

配电网合环示意图如图1所示。图1(a)为一种典型的配电网合环情况。正常方式下，合环联络开关在断开位置，网络为开环运行。当进行合环操作时，由于合环前母线1和2之间存在电压差，因此在合环瞬间将产生较大的冲击电流。而整个环路呈感性，故合环至稳态应是一个振荡衰减的暂态过程［5］。为了分析计算方便，根据配电网参数和本身结构的特点对系统进行如下简化:忽略线路电纳，在合环支路使用集中参数模型，不考虑合环开关在线路中的位置分布及作用。简化后的等值电路模型如图1(b)所示，图中R和L分别代表环网中所有电气元件的电阻和电感。

图1 配电网合环示意图

1.2 理论分析

电力系统三相对称，以A相为例，计算合环冲击电流暂态过程的单相等值电路模型如图1(c)所示。图1(c)中合环点两侧电压差等效为A相相电压e(t)。

合环电路的时域微分方程为

利用拉普拉斯变换，将时域非线性微分方程转换为复频域中的代数方程进行求解。

对式(2)两边取拉普拉斯变换，得

合环前合环支路上没有电流通过，故电感中的初始电流i(0_)为零。因此

比较式(4)、(5)中s的系数，并根据三角函数公式化简，环路阻抗功率因数角环稳态电流幅值可推导出

对式(5)进行拉普拉斯反变换并代入式(6)，得到时域中合环电流的完全表达式为

由于三相对称，只需将(α-120°)和(α+120°)代替式(7)中的α，就可以得到B相和C相全电流表达式。由上述分析可知，三相中的直流电流是不相等的，它们的起始值不可能同时达到最大或零。三相中的稳态合环电流为3个幅值相等、相角相差120°的交流电流。

2 合环冲击电流的计算［6］

从式(7)中可以看出，合环电流由交流分量iac和直流分量idc组成，即

式中iac为合环稳态环流周期分量，其幅值Im的大小取决于合环点两侧电压差和环网总阻抗;iac为呈指数规律衰减的非周期分量，其起始值idc0取决于合环时刻的初始状态;衰减时间常数由环路中电阻R与电感L的比值决定。直流分量值越大，合环电流瞬时值就越大，在合环点两侧电压幅值差和环路阻抗一定的情况下，其大小由合环点两侧电压相角差所决定。

式中kM为冲击系数。对于具体的配网环路，最大冲击电流值等于稳态环流幅值乘以1个固定的系数，工程计算中一般取1.8～1.9。从上述分析可以看出，合环瞬时冲击电流的大小与合环点两侧电压差近似成正比，与环路总阻抗近似成反比，还与电压的相角差有密切关系［7］。因此，为保证合环安全，应调整运行方式，尽量减小合环点两侧电压的幅值差和相角差。

图2 初始状态合环电流相量图

在配电网电流速断保护中，电流的整定值取有效值，因此需计算在合环暂态过程中的最大有效值电流IM。容易得出IM发生在合环后的1/2个周期内的值，表达式为

3 实际算例仿真计算

本文选取佳木斯市区10 kV配电系统典型线路联络开关合环算例(如图3所示)，通过调度SCADA系统获取电网实际运行工况(线路、变压器参数、负荷、变压器分接头位置等)，利用电力系统电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC搭建系统模型，对合环冲击电流的暂态过程进行仿真计算。

图4为合环后三相冲击电流的暂态波形。由图4可见，三相的瞬时电流并不是同时达到最大值，三相的冲击电流A相较大而B相较小，A相最大瞬时电流出现在合环操作约1/2个周期(0.01 s)后;三相的稳态合环电流幅值相等，相角相差120°。这与上述理论分析是一致的。合环电流分相计算结果如表1所示。通过仿真计算，可得出影响合环冲击电流的主要因素为合环点两侧电压幅值差、相角差以及整个环网的总阻抗。

图3 配电网合环系统

图4 三相合环冲击电流暂态波形

表1 三相合环电流计算结果

当利用仿真计算发现合环电流超过设备容量限额或不能满足继电保护要求时，可通过调整变压器分接头、投切电容器、调整负荷分布和改变环网参数等方法控制合环电流的大小，以保证合环操作的安全［8-10］。其中调整变压器分接头是比较有效、常用的方法。通过改变变压器分接头，可以有效地减小合环点两侧电压差，从而减小合环电流的大小。其调整的原则是根据潮流计算结果将电压幅值较高侧的电压降低、幅值较低侧的电压升高，尽量使合环点两侧电压幅值接近。表2为通过调整主变档位来降低配电网合环冲击电流的计算结果，图5为主变档位调整前后冲击电流对比仿真波形(以A相为例，其中虚线是调整后的电流暂态波形)。可见，通过改变变压器分接头调整合环点两侧电压相量差，对合环冲击电流的控制有显著的作用。

表2 变压器分接头调整前后的合环电流计算结果

图5 调整变压器分接头对合环冲击电流的影响

4 结论

对配电网合环操作时，考虑合环稳态电流值的同时不能忽视合环瞬间冲击电流的影响。冲击电流过大会使线路和电气设备承受巨大的电动力冲击，致使导线变形，设备损坏，造成继电保护误动，导致合环操作失败［11］。本文在合环暂态过程理论分析的基础上，基于调度SCADA系统获取的电网数据，结合佳木斯市区10 kV配电网典型合环系统建立等值模型，对合环冲击电流进行了仿真计算，指出影响合环电流大小的主要因素是合环点两侧电压幅值差、相位差以及环网总阻抗，探讨了不满足合环安全条件时可以采取的措施，并特别分析了调整合环点两侧电压差对控制合环冲击电流的作用。仿真计算结果表明，本文所用的方法可以有效地分析配网合环暂态过程，采用的数学模型是正确的，可以在实际工作中为调度运行人员进行合理的合环操作提供决策依据，保证配电网安全、经济运行。

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