10 kV配電網合環(huán)電流暫態(tài)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(huán)結構、開環(huán)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(qū)域用聯(lián)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(lián)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?shù)墓╇娐窂竭M行合環(huán)操作，則可增強配電網絡的供電可靠性。但在合環(huán)瞬間，系統(tǒng)將產生很大的沖擊電流，穩(wěn)定后環(huán)網中還可能產生較大的環(huán)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(huán)的研究以分析合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流為主，對合環(huán)暫態(tài)過程的研究較少［4］。本文通過建立典型配電網合環(huán)系統(tǒng)數(shù)學模型，從理論上推導出合環(huán)暫態(tài)至穩(wěn)態(tài)的全電流數(shù)學表達式，得出合環(huán)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(huán)沖擊電流的因素，并利用電力系統(tǒng)軟件PSCAD/EMTDC對實際算例進行暫態(tài)仿真計算，以驗證理論分析的正確性和有效性。

1 合環(huán)暫態(tài)過程分析

1.1 計算模型

配電網合環(huán)示意圖如圖1所示。圖1(a)為一種典型的配電網合環(huán)情況。正常方式下，合環(huán)聯(lián)絡開關在斷開位置，網絡為開環(huán)運行。當進行合環(huán)操作時，由于合環(huán)前母線1和2之間存在電壓差，因此在合環(huán)瞬間將產生較大的沖擊電流。而整個環(huán)路呈感性，故合環(huán)至穩(wěn)態(tài)應是一個振蕩衰減的暫態(tài)過程［5］。為了分析計算方便，根據(jù)配電網參數(shù)和本身結構的特點對系統(tǒng)進行如下簡化:忽略線路電納，在合環(huán)支路使用集中參數(shù)模型，不考慮合環(huán)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(huán)網中所有電氣元件的電阻和電感。

圖1 配電網合環(huán)示意圖

1.2 理論分析

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

合環(huán)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(shù)方程進行求解。

對式(2)兩邊取拉普拉斯變換，得

合環(huán)前合環(huán)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(shù)，并根據(jù)三角函數(shù)公式化簡，環(huán)路阻抗功率因數(shù)角環(huán)穩(wěn)態(tài)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(huán)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(wěn)態(tài)合環(huán)電流為3個幅值相等、相角相差120°的交流電流。

2 合環(huán)沖擊電流的計算［6］

從式(7)中可以看出，合環(huán)電流由交流分量iac和直流分量idc組成，即

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

式中kM為沖擊系數(shù)。對于具體的配網環(huán)路，最大沖擊電流值等于穩(wěn)態(tài)環(huán)流幅值乘以1個固定的系數(shù)，工程計算中一般取1.8～1.9。從上述分析可以看出，合環(huán)瞬時沖擊電流的大小與合環(huán)點兩側電壓差近似成正比，與環(huán)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(huán)安全，應調整運行方式，盡量減小合環(huán)點兩側電壓的幅值差和相角差。

圖2 初始狀態(tài)合環(huán)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(huán)暫態(tài)過程中的最大有效值電流IM。容易得出IM發(fā)生在合環(huán)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(qū)10 kV配電系統(tǒng)典型線路聯(lián)絡開關合環(huán)算例(如圖3所示)，通過調度SCADA系統(tǒng)獲取電網實際運行工況(線路、變壓器參數(shù)、負荷、變壓器分接頭位置等)，利用電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC搭建系統(tǒng)模型，對合環(huán)沖擊電流的暫態(tài)過程進行仿真計算。

圖4為合環(huán)后三相沖擊電流的暫態(tài)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(xiàn)在合環(huán)操作約1/2個周期(0.01 s)后;三相的穩(wěn)態(tài)合環(huán)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(huán)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(huán)沖擊電流的主要因素為合環(huán)點兩側電壓幅值差、相角差以及整個環(huán)網的總阻抗。

圖3 配電網合環(huán)系統(tǒng)

圖4 三相合環(huán)沖擊電流暫態(tài)波形

表1 三相合環(huán)電流計算結果

當利用仿真計算發(fā)現(xiàn)合環(huán)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(huán)網參數(shù)等方法控制合環(huán)電流的大小，以保證合環(huán)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(huán)點兩側電壓差，從而減小合環(huán)電流的大小。其調整的原則是根據(jù)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(huán)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(huán)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(tài)波形)?？梢?，通過改變變壓器分接頭調整合環(huán)點兩側電壓相量差，對合環(huán)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(huán)電流計算結果

圖5 調整變壓器分接頭對合環(huán)沖擊電流的影響

4 結論

對配電網合環(huán)操作時，考慮合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流值的同時不能忽視合環(huán)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(huán)操作失?。?1］。本文在合環(huán)暫態(tài)過程理論分析的基礎上，基于調度SCADA系統(tǒng)獲取的電網數(shù)據(jù)，結合佳木斯市區(qū)10 kV配電網典型合環(huán)系統(tǒng)建立等值模型，對合環(huán)沖擊電流進行了仿真計算，指出影響合環(huán)電流大小的主要因素是合環(huán)點兩側電壓幅值差、相位差以及環(huán)網總阻抗，探討了不滿足合環(huán)安全條件時可以采取的措施，并特別分析了調整合環(huán)點兩側電壓差對控制合環(huán)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(huán)暫態(tài)過程，采用的數(shù)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(huán)操作提供決策依據(jù)，保證配電網安全、經濟運行。

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