10 kV配电网合环电流实用计算方法研究

贾体康， 王 静， 李继新， 徐学英

(国网河南省电力公司 济源供电公司电力调度控制中心，河南 济源 459000)

0 引言

随着经济社会的不断发展，电力用户对供电可靠性的要求越来越高。地区配电线路多采取双向供电或双电源供电方式，其主要运行特点为“闭环设计，开环运行”[1,2]。由于线路检修或转移负荷等原因，当采用“先断后通”的传统操作方式时，会引起部分负荷停电。因此，目前“先通后断”的合环操作方式在配电网中普遍采用。合环操作在带来连续供电优点的同时也存在着较大的安全隐患，在合环瞬间存在冲击电流，进入稳态阶段也可能存在较大的环路电流，有可能引起电力设备过载、继电保护误动作等后果，甚至电磁环网导致扩大事故范围[3～5]，影响电网的安全稳定运行。

目前电网运行调度人员在进行电网合环操作时多依靠经验，缺少一套简单可行的合环电流实用计算方法[6,7]。本文结合济源地区电网实际，理论分析影响合环电流的因素并提出一种实用计算方法，对指导电网合环操作具有较强的实践意义。

1 配电网合环简介

目前在正常运行方式下，地区220 kV主网已实现环网运行[8,9]，110 kV及以下各输配电网络为开环运行状态。220 kV环网状态为更低电压等级的线路合环提供了便利，10 kV配电网根据接线方式的不同，合环转电的方式主要有7种[10]。

根据对电磁环网的电压等级分析，这7种合环接线方式本质上可以分为三大类。第一类电磁环网电压等级为220 kV，第二类电磁环网电压等级为110 kV，第三类电磁环网电压等级为10 kV。其中电磁环网电压等级为10 kV时，即为一段母线所连接的不同馈线接线方式或相同馈线不同支线接线方式，结构较为简单，属于负荷重新分配问题，一般满足合环条件。其他两类合环接线方式的结构示意图如图1所示。

图1 配电网络合环示意图

图1中，高压侧母线电压等级可以两段均为110 kV或220 kV，也可以一段为110 kV，另一段为220 kV。

2 合环电流计算理论分析

2.1 合环稳态电流计算

对图1结构示意图进行拓扑分析，10 kV母线经馈线至合环点的拓扑结构相同。10 kV母线以上部分为环网的一部分，可以进行阻抗等效折算到10 kV母线一侧。因此，通过对10 kV母线以上部分进行等效，保留变电站10 kV母线及馈线至合环点部分后得到配电合环等值网络如图2所示。

图2 配电合环等值网络图

(1)

(2)

(3)

ZS=R0+jX0+R1+jX1+R2+jX2

(4)

2.2 配电网分支负荷的影响

10 kV馈电线路呈辐射状，从变电站母线到合环点线路上有许多分支线，这些分支线所带负荷对馈线末端合环点电压有较大影响[8]，因此，计算合环点两侧电压必须考虑10 kV馈线分支负荷的影响。

在10 kV配电网络中，10 kV馈线的支线分布根据负荷需求决定。在实际配电网中负荷沿馈线分布多呈均匀性。以下推导馈线负荷均匀分布时，合环点电压的计算公式[8]。图3为负荷均匀分布时的馈线模型。

图3 10 kV馈线负荷均匀分布模型

由于10 kV馈线负荷呈均匀分布，因此：

(5)

(6)

DUA1-jdUA1

(7)

式中：DUA0、dUA0为A点之前负荷在A点引起的电压降落的纵、横分量；DUA1、dUA1为A点之后负荷在A点引起的电压降落的纵、横分量。则DUA0、dUA0分别为:

(8)

(9)

DUA0、dUA0分别为:

(10)

(11)

(12)

(13)

2.3 冲击电流计算

以上分析计算可以看出，影响配网合环稳态电流的因素主要有合环点两侧的电压差(受10 kV馈线的负荷分布影响较大)、环路总阻抗及馈线的初始负荷等。在配电网进行合环操作时，合环瞬间将产生非常大的冲击电流[10,12]，考虑最不利的情况冲击电流的最大瞬时值出现在合环后的半个周期(即0.01 s)，此时冲击电流最大有效值Ip为[13]：

IP=1.62I

(14)

式中：I为合环稳态电流有效值。

2.4 对继电保护影响

在进行合环操作前，通过合环电流计算，首先应判断合环后是否会引起馈电线路、主变等设备出现过载现象(一般配电线路过负荷保护装置控制字设置为0，即只发过负荷信号不动作跳闸)，其次还要根据计算得出的稳态电流、冲击电流值分析是否会引起线路保护误动作，导致不必要的停电[14,15]。

10 kV配电线路保护主要配置三段式电流保护。考虑到冲击电流最大值出现在合环后 0.01 s，所以冲击电流主要对无时限电流速断保护(过流I段)动作有影响。合环稳态电流则对限时电流速断保护(过流II段)及定时限过电流保护(过流Ⅲ段)动作有影响。

3 算例分析

本文以济源地区10 kV配电网为例，研究2个具有代表性的合环线路，计算其合环电流大小，并与实际合环电流值进行比较分析。线路合环示意图如图4所示。

图4 线路合环示意图

合环1两条10 kV线路为线路1、线路2，合环2的两条10 kV线路为线路3、线路4。合环1与合环2的两条10 kV馈线均来自两座不同的110 kV变电站，合环1两个110 kV变电站的电源取自同一个220 kV变电站；合环2的两个110 kV变电站电源则来自不同的220 kV变电站。主变、母线及10 kV线路各参数如表1所示。

根据上述计算方法，合环电流计算结果如表2所示，其中实测电流值为合环后从调度D5000系统读取的值。

表1 合环电流计算参数

从表2计算结果可以看出，合环后电流实测值与计算值接近，满足工程要求。从表3可以看出，4条合环线路进行合环操作后均不会引起站内开关保护误动作。

表2 合环电流计算结果

表3 线路保护定值设置

分属不同220 kV电源的10 kV配电线路均可以得到满意的结果。因此根据叠加定理及考虑馈线负荷均匀分布计算所得的线路总电流，可以为合环后电流值是否满足合环条件提供依据。