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(xué)研究院吉林長春130021;2.東北電力大學(xué)，吉林吉林132012)

0 引言

配電網(wǎng)絡(luò)最大的特點(diǎn)即閉環(huán)結(jié)構(gòu)、開環(huán)運(yùn)行［1-2］。其中每個負(fù)荷都由單一的母線供電，不同母線所帶的負(fù)荷區(qū)域用聯(lián)絡(luò)開關(guān)隔離，形成供電負(fù)荷島。正常情況下，為保證配電網(wǎng)的輻射狀運(yùn)行結(jié)構(gòu)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)一般開斷運(yùn)行。配電網(wǎng)雙向供電和多電源供電的供電模式日益增多，若選擇適當(dāng)?shù)墓╇娐窂竭M(jìn)行合環(huán)操作，則可增強(qiáng)配電網(wǎng)絡(luò)的供電可靠性。但在合環(huán)瞬間，系統(tǒng)將產(chǎn)生很大的沖擊電流，穩(wěn)定后環(huán)網(wǎng)中還可能產(chǎn)生較大的環(huán)流，造成某些電氣設(shè)備或線路過載，使繼電保護(hù)裝置動作跳閘，對整個電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重影響［3］。以往對配電網(wǎng)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(wǎng)合環(huán)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，從理論上推導(dǎo)出合環(huán)暫態(tài)至穩(wěn)態(tài)的全電流數(shù)學(xué)表達(dá)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(shí)際算例進(jìn)行暫態(tài)仿真計算，以驗(yàn)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(wǎng)合環(huán)示意圖如圖1所示。圖1(a)為一種典型的配電網(wǎng)合環(huán)情況。正常方式下，合環(huán)聯(lián)絡(luò)開關(guān)在斷開位置，網(wǎng)絡(luò)為開環(huán)運(yùn)行。當(dāng)進(jìn)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(chǎn)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(yīng)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(wǎng)參數(shù)和本身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)對系統(tǒng)進(jìn)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(guān)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(wǎng)中所有電氣元件的電阻和電感。

圖1 配電網(wǎng)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(diǎn)兩側(cè)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(zhuǎn)換為復(fù)頻域中的代數(shù)方程進(jìn)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(dǎo)出

對式(5)進(jìn)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(dá)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(dá)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(dá)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(diǎn)兩側(cè)電壓差和環(huán)網(wǎng)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(diǎn)兩側(cè)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(diǎn)兩側(cè)電壓相角差所決定。

式中kM為沖擊系數(shù)。對于具體的配網(wǎng)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(diǎn)兩側(cè)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(guān)系［7］。因此，為保證合環(huán)安全，應(yīng)調(diào)整運(yùn)行方式，盡量減小合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)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(wǎng)電流速斷保護(hù)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(nèi)的值，表達(dá)式為

3 實(shí)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(luò)開關(guān)合環(huán)算例(如圖3所示)，通過調(diào)度SCADA系統(tǒng)獲取電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行工況(線路、變壓器參數(shù)、負(fù)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(jìn)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(dá)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(jié)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(diǎn)兩側(cè)電壓幅值差、相角差以及整個環(huán)網(wǎng)的總阻抗。

圖3 配電網(wǎng)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(jié)果

當(dāng)利用仿真計算發(fā)現(xiàn)合環(huán)電流超過設(shè)備容量限額或不能滿足繼電保護(hù)要求時，可通過調(diào)整變壓器分接頭、投切電容器、調(diào)整負(fù)荷分布和改變環(huán)網(wǎng)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(diào)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(diǎn)兩側(cè)電壓差，從而減小合環(huán)電流的大小。其調(diào)整的原則是根據(jù)潮流計算結(jié)果將電壓幅值較高側(cè)的電壓降低、幅值較低側(cè)的電壓升高，盡量使合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)電壓幅值接近。表2為通過調(diào)整主變檔位來降低配電網(wǎng)合環(huán)沖擊電流的計算結(jié)果，圖5為主變檔位調(diào)整前后沖擊電流對比仿真波形(以A相為例，其中虛線是調(diào)整后的電流暫態(tài)波形)。可見，通過改變變壓器分接頭調(diào)整合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)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(diào)整前后的合環(huán)電流計算結(jié)果

圖5 調(diào)整變壓器分接頭對合環(huán)沖擊電流的影響

4 結(jié)論

對配電網(wǎng)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(shè)備承受巨大的電動力沖擊，致使導(dǎo)線變形，設(shè)備損壞，造成繼電保護(hù)誤動，導(dǎo)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(chǔ)上，基于調(diào)度SCADA系統(tǒng)獲取的電網(wǎng)數(shù)據(jù)，結(jié)合佳木斯市區(qū)10 kV配電網(wǎng)典型合環(huán)系統(tǒng)建立等值模型，對合環(huán)沖擊電流進(jìn)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(diǎn)兩側(cè)電壓幅值差、相位差以及環(huán)網(wǎng)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(diào)整合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)電壓差對控制合環(huán)沖擊電流的作用。仿真計算結(jié)果表明，本文所用的方法可以有效地分析配網(wǎng)合環(huán)暫態(tài)過程，采用的數(shù)學(xué)模型是正確的，可以在實(shí)際工作中為調(diào)度運(yùn)行人員進(jìn)行合理的合環(huán)操作提供決策依據(jù)，保證配電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

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