张 頔

(华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206)

0 引言

随着北京市通州新城建设的快速发展，用户对供电可靠性的要求不断提高。不停电的合环操作转移负荷是运行操作的必然趋势。正常运行下，联络开关断开;倒负荷或线路检修时，合环操作将负荷进行转移，最大限度地减少用户停电时间，提高了配电网络的供电可靠性和灵活性［1］。但在合环操作时，合环瞬间将产生较大的冲击电流，稳定后电网中可能产生较大环流，这都将直接影响到电网的安全稳定运行。10 kV龙湖开闭站由于两个上级电源接地方式不同，造成较大合环电流，因此，合环操作前对合环电流进行计算分析，使调度人员判断合环后电流是否越限，快速准确找出最佳合环路径［2，3］。

1 合环电流的计算

1.1 合环稳态电流的计算

配电网合环潮流计算时，利用潮流计算出变压器高压侧的电压幅值、相角，合环点两侧的电压矢量差以及等值的环路阻抗，利用叠加原理与合环后出线负荷电流，即可方便快速地求出合环后的稳态电流［4］。

如果已知开环运行时开环点处两端电压，则两端的电压差也是已知的。若把合环运行看作是在开环运行的系统两端点之间叠加一负的电压源(如图 1 所示［5，6］)，则可将合环运行方式分解为开环运行方式和具有一个电压源的附加分量。

图1 合环电流模型Fig.1 Ring current model

基于叠加原理，配电网合环后的稳态合环电流有两部分组成:

式中:Is为稳态合环电流;Il为开环方式下的负荷电流;Ic为合环点两侧电压差引起的环流。Il的幅值取决于系统，配电网的功率因数一般取0.95。Ic可由式(2)计算:

式中:ΔU为合环点两侧电压矢量差;Z环为配电网与等值后的主网的环网总阻抗。实时潮流计算得到的变压器高压侧节点电压与合环节点到变压器高压侧节点的总阻抗，通过潮流计算可得到ΔU。

1.2 冲击电流的计算

暂态电流亦即冲击电流，是指图2中联络开关合闸瞬间通过其主触头的电流，冲击电流计算模型如图 2［7］。

图2 冲击电流计算模型Fig.2 Impact of current calculate model

一般情况下冲击电流幅值高而持续时间短，如果合环冲击电流过大，可能造成一次设备的损坏或继电保护动作(主要考虑西门半壁Ⅱ线两侧断路器保护Ⅰ段电流值)。所以合环前计算冲击电流，为调度运行人员采取相应对策提供理论依据是非常必要的。

电流分析可以证明，冲击电流是由于合环电压差造成，其计算值只与环路电气设备参数有关，与环路中负荷大小无关。电力系统三相对称，这里用单相等值进行分析［8］。

以系统平衡点为基准，E超前ΔU一定的角度φ，则合环电路方程的一阶非齐次微分方程为

由上式可知，冲击电流最大值出现在合环后半个周期，冲击电流最大值为

2 合环电流仿真计算模型

2.1 电网模型

本例以10 kV龙湖开闭站为实例分析，电网系统主接线图如图3。110 kV半壁店站、110 kV西门站电源点为220 kV通州站和220 kV台湖站，220 kV通州站通州站通过通门线和通门半支线(T接于通门线)带110 kV半壁店站110 kV 3号母线和110 kV西门站110 kV 4号母线;台湖站通过湖门线和湖门半支线(T接于湖门线)带110 kV半壁店站110 kV 5号母线和110 kV西门站110 kV 5号母线。110 kV西门站和110 kV半壁店站正常运行方式为110 kV母线和10 kV母线均分裂运行，主变均不接地，10 kV侧通过接地电阻或消弧线圈接地。10 kV龙湖开闭站正常运行方式为10 kV 3号，4号，5号母线分裂运行(4号母线不带负荷)，3号母线电源侧为110 kV半壁店站10 kV 3号母线;4号母线电源侧为110 kV西门站10 kV 4号母线(热备用，断202);5号母线电源侧为110 kV半壁店站10 kV 5号母线。

图3 10 kV龙湖开闭站电气主接线图Fig.3 10 kV Longhu Switching Station electrical wiring diagram

合环前，系统正常运行方式，合环前分析均以此电网模型为基础。合环后，系统正常运行方式为10 kV龙湖开闭站闭合201，202，234，断开245。最终电网形成一个经110 kV半壁店站～10 kV龙湖开闭站～110 kV西门站的电磁环，合环后分析均以此电网模型为基础。

3 仿真计算结果

3.1 变压器分接头处于不同位置下的冲击电流

由电气接线图3可知，通州220 kV系统经110 kV西门站供4号母线，通州220 kV系统经110 kV半壁店站供3号母线，在10 kV龙湖开闭站通过234开关合环运行。或台湖220 kV系统经110 kV西门站供4号母线，台湖220 kV系统经110 kV半壁店站供10 kV龙湖开闭站5号母线，在10 kV龙湖开闭站通过245开关合环运行。

由于正常运行时10 kV龙湖开闭站3号、5号母线电压U3，U5与西门站4号母线电压U4不相等，原因为上述两个系统的电压损耗不同、两系统变压器分接头位置不同，特别与变压器分接头位置关系较大。

经仿真，变压器分接头从－10%增加到+10%，环流有很大的不同，最大环流出现在变压器分接头在－10%档，即相差－10%时，此时环流达0.815 kA(29.6%变压器额定电流～0.895 kA(32.6%变压器额定电流)。最小环流出现在变压器分接头在+2.5%档(西门变0档)时，此时环流为0.036 kA(1.29%变压器额定电流)～0.039 kA(1.41%)。

最大运行方式最大负荷(70%)与最小运行方式最小负荷(50%)，环流相差很小，110 kV半壁店站1号变压器平均相差1.73%，2号变压器平均相差2.34%(变压器额定电流)。可见环流大小与负荷大小基本无关。

3.2 合环后发生接地故障对系统的影响

取110 kV西门站发生接地故障为例，研究合环对系统的影响。计算过程中，均未考虑相角，所得结果如表1～4。

表1 西门110 kV 5号母线故障全电流及序电流表Tab.1 Ximen 110 kV 5 bus bar fault current and sequence current

表2 西门110 kV 5号母线故障流过各侧电流表Tab.2 Ximen 110 kV 5 bus fault current of each side

表3 西门10 kV 5号母线故障全电流及序电流表Tab.3 Ximen 10 kV 5 bus fault full current and sequence current

表4 西门10 kV 5号母线故障流过各侧电流表Tab.4 Ximen 10 kV 5 bus fault current of each side

3.3 10 kV母线合环后的短路电流变化

110 kV 西门站4号母线，110 kV半壁店站3号母线，在10 kV龙湖开闭站通过234开关合环运行，或110 kV西门站4号母线、110 kV半壁店站5号母线，在10 kV龙湖开闭站通过245开关合环运行。

由于合环运行环流的影响导致10 kV母线短路时，主变压器短路电流会增大。

变压器分接头从－10%增加到+10%，短路电流会减小，从4.68倍到3.24倍。主要与变压器分接头的位置有关。合环后，短路电流由于环流的影响有所增大，但相对较小(最大6.3%，最小0.3%)。合环运行对变压器短路电流影响不大。

3.4 10 kV龙湖开闭站10 kV母线合环后的负荷分配

110 kV西门站4号母线，110 kV半壁店站3号母线，在10 kV龙湖开闭站通过234开关合环运行，或110 kV西门站4号母线，110 kV半壁店站5号母线，在10 kV龙湖开闭站通过245开关合环运行。

由于两并联系统的阻抗不同，合环运行后导致10 kV母线负荷按照阻抗的反比分配，使两并联系统的负荷不同。

变压器分接头从－10%增加到+10%，负荷分配比例基本无变化，可见负荷分配与变压器分接头的位置无关。运行方式对负荷分配比例也影响很小。负荷分配比例由两系统固有阻抗决定。234开关合环运行负荷比例为110 kV半壁店站1号变压器54.73%，110 kV西门站变压器45.27%;245开关合环运行110 kV半壁店站2号变压器55.16%，110 kV西门站变压器44.84%。

3.5 合环运行时接地短路零序电流及对零序保护的影响

110 kV西门站4号母线，110 kV半壁店站3号母线，在10 kV龙湖开闭站通过234开关合环运行。或110 kV西门站4号母线，110 kV半壁店站5号母线，在10 kV龙湖开闭站通过245开关合环运行。

110 kV半壁店站10 kV侧经10 Ω小电阻接地，10 kV侧单相金属性接地短路电流为606 A。110 kV西门站10 kV侧为消弧线圈接地系统，单相接地无短路电流。

110 kV侧接地故障时的系统零序电流见表5，110 kV对应的零序保护均应灵敏动作。由于110 kV变电站110 kV侧不接地，因此110 kV侧接地故障不会影响到10 kV侧。

表5 110 kV侧接地故障时的系统零序电流Tab.5 110 kV side ground fault zero sequence current

4 结论

(1)仿真结果分析:a.合环运行环流的大小主要由两合环变压器分接头的位置决定，选择半壁店变高出西门变+2.5%(两个档)时合环，此时环流最小。最大环流出现在变压器分接头在－10%档，即相差－10%时，110 kV半壁店站1号变达0.815 kA(29.6%变压器额定电流)，2号变达0.895 kA(32.6%)。10 kV龙湖开闭站10 kV合环电流定值720 A，两变电站变压器主分接头相差7.5%时，将超过合环保护定值;b.合环运行对变压器短路电流影响不大;c.合环运行时负荷分配比例由两系统固有阻抗决定，约为55%对45%;d.根据合环运行时接地短路零序电流计算，110 kV西门站不需加装零序保护。

(2)调度运行建议:a.保证10 kV龙湖开闭站10 kV母线的相序和相位相同;b.尽量满足合环点两侧的半壁店、西门主变压器分接头相同，变压器主分接头相差7.5%时，不得合环操作;c.参与合环的两变电站到合环点的综合阻抗不宜相差过大;d.适当调整合环地点两侧负荷的大小和功率因数，使两侧相差不致过大，避免造成不能合环;e.合环两侧负荷之和不应超过两侧开关之一的额定负荷，否则即使条件均满足也不能互相替代。

［1］王朝阳.配电网合环操作的分析以及实时系统的实现［D］.南京:东南大学，2002.

［2］孙一平，彭高辉.一种配电线路合环潮流实时计算的实用方法［J］.湖南电力，2003，23(4):13－14.

［3］孙宏斌，张伯明，相年德.发配输全局潮流计算［J］. 电网技术，1999，22(12):39－46.

［4］杨志栋，刘一，张建华.北京10 kV配电网合环试验与分析 ［J］.中国电力，2006，39(3):66－69.

［5］于建辉，周浩，陆华.杭州10 kV配电网合环问题的研究 ［J］.机电工程，2007，24(10):54－57.

［6］王庆，应庆强，摆存曦.银川地区10 kV配电网合环电流及计算方法的研究［J］.陕西电力，2007，35(2):41－44.

［7］陈霄，王磊，李扬.配电网合环冲击电流的分析［J］.电力自动化设备，2005，25(4):40－42.

［8］Chen T S，Chen M Setal.Distribution system Power flow analysis，arigid approach ［J］.IEEE Transactions，1991，6(3):1146－1152.