配电网合环电流的分析与计算

顾慧春汤衡

摘要：在配电网调度运行当中，合环操作已成为配网运行操作中一项重要的工作内容。为了减少合环过程中合环电流对系统产生的危害，针对金山配网的实际特点，分析了合环电流产生的原因以及合环条件。利用戴维南定理建立计算模型并进行公式推导，将计算结果与实测结果相对比，间接验证了产生合环电流的原因。

关键词：配电网；合环电流；戴维南定理；短路阻抗；计算模型

0引言

配电网中的馈线（电压等级为10kV）一般采取辐射状分布原则，其供电方式最基本的特点是环网设计、开环运行。这样设计的目的在于，当电网设备检修、负荷转移和故障处理时，可以通过合环操作减少用户停电时间。随着近几年金山地区电网的加速改造，一方面馈线的运行方式越来越灵活，通过合理安排方式，大大提高用户的供电可靠性。而另一方面由于频繁的合环操作引起的合环电流将对配电网运行造成很大的影响。合环电流过大，轻者造成设备过载，重者断路器跳闸合环失败，严重影响系统的安全性和稳定性。

1合环电流的分析及计算

1.1合环电流产生的原因

上海电网的网架主要特点是500kV环网运行220kV分区运行。金山地区电网主要涉及南桥、泗泾以及亭卫分区。当配电网进行合环操作时，合环线路的两侧电源一般处于分列运行状态，由于上一级电源或者更上一级的电源处于环网运行，因此合环操作时产生了合环电流。其主要有以下两个原因（以10kV配电线路合环说明）：

（1）合环线路电压的不相等，由电压差（幅值差、相角差）产生合环电流，文献[1]中指出，如果两侧变电站10kV母线对应系统阻抗比较接近，这一合环电流可以用两侧变电站10kV母线的电压数值差除以合环线路的阻抗计算出近似值，用这种近似方法计算一般与实际值的误差在20%以内。

（2）合环后系统潮流发生变化是产生合环电流另外一个重要原因。合环线路所对应的系统阻抗相差比较大的情况下，在合环操作时，合环开关两侧变电站的10kV母线电压数值即使相同也会产生很大的合环电流。其根本原因在于由于系统阻抗的不平衡，一旦合环后导致系统潮流发生较大的变化。

1.2合环条件

为了避免合环操作时出现过大的合环电流造成环路内保护动作开关跳闸，使合环操作顺利进行，文献[3]指出，合环操作需满足以下条件：

（1）保证参与合环的变电站中，10kV母线的相序和相位相同；

（2）尽量满足合环点两侧的电压值相同；

（3）参与合环的两个变电站到合环点的系统阻抗不宜相差过大；

（4）适当调整合环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；

（5）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合环操作。

以上条件为理想条件，文献[2]指出，在实际的配电网络运行过程中，相位差在5°以内合环即无问题。但由于系统结构不同，有的系统合环相角差允许10°～15°，电压差允许在10%以内。从实际运行经验情况来看，即使相角差在5°以内对于个别系统阻抗相差很大的变电站，由于合环电流过大线路也无法直接合环操作。故在合环前需对其进行合环电流计算，根据计算结果确定合环时允许的电压幅值差和相角差，不符合要求须按上述条件进行调整，调整后仍不符合要求，则必须采取将上级电源先合环后，再进行下级线路的合环操作的办法。如合环电流实在太大，则只好采取冷倒负荷的方式。

1.3合环稳态电流的计算方法

将一次系统简化，然后在合环点将环网打开，用合环之前的电流或功率，模拟合环前的状态。如图1所示：

图1（A）中M、N为待合联络开关的首末节点，合环前其所带负荷分别为、。图1（B）为合环后示意图，M、N点合并后网络中流经合环点的功率为，相应的电流为。图1（C）为开环后示意图，若合环前，为模拟闭环时的状态在点M添加一个电流源，方向为流出，在点N添加一电流源，方向为流入，大小均为。为了便于潮流计算，可将补偿电流转换为负荷，即M点负荷变为，N点负荷为。若合环前，所添加电流源的符号相反。经过上述处理后，合环后的环网变为辐射状，其拓扑结构与合环前网络一致，但节点负荷经过了修正。

在此基础上根据戴维南定理进行求解。对于图1（C）中原辐射型网络可等效为一个理想电压源和一个串联内阻，如图2所示：

图2中电压源的值为该有源二端电路的开路电压，即合环前M和N点的电压差，可通过计算合环潮流得到。

图2中戴维南等效阻抗为所有独立源和负荷置零时，在两端子间加一单位电流源，在开口处形成的电压。当电源和负荷置零以后，所加单位电流只流经环路上的支路，因此等效阻抗应等于所有环路支路阻抗之和，即为。而当网络中有多个环路且各环路互相有关联时，系统阻抗就不等于环路阻抗了。另外由于上级电网具体运行方式以及线路和变压器阻抗参数不易获得，故单纯从电路网络分析角度出发计算比较困难。因此，这里可充分利用每年修订的地区电网短路容量表，非常方便的就可计算得知系统的短路阻抗。

有一点需要注意的是，在合环操作时合环瞬间将会产生较大的冲击电流，稳定后才是合环的稳态电流。详细的冲击电流计算方法这里不做介绍。在判断继电保护能否躲过冲击电流时，可利用稳态电流乘以一个经验系数即可，具体计算方法可查阅文献[4]和[5]。

2实例计算与分析

在实际计算过程中统一用标么值计算，由于合环后的电压在合环操作前无法取得，近似取10kV的基准额定电压10.5kV，而高压侧母线电压差的幅值差则近似取其10kV母线两端线电压压差，相角差通过实测10kV母线电压角度差得到（以B相电流为基准的CA两相线电压）。因为变电站内两台主变压器阻抗几乎一样，在不考虑变压器档位情况下近似认为高压侧电压角度差与低压侧相等。

通过理论计算和实测数据分析，可以看出影响合环电流大小的实际因素比较多。具体如何减少合环电流分析如下：

（1）系统阻抗

系统阻抗的大小，在合环电流计算中是最为关键的因素。一般情况下，电网的运行方式不会发生太大的变化。也就是说系统的阻抗基本无明显变化。因此如果要从根源上减少合环电流就是要改变系统的阻抗，最根本的办法是改变系统的运行方式，但是这种手段涉及上级电网大范围的有功潮流转移，实际操作非常困难。从配网层面来讲，可以将35、110kV变电站的两路进线电源改接至同一220kV变电站内，使其系统阻抗平衡。高行站的合环电流比较大，目前已影响其正常的合环操作，如将其两路进线改接为同一220kV电源站供电，则其合环电流会明显变小。

（2）配网负荷

合环馈线所在变压器的负荷大小，也会影响合环电流的变化。在系统阻抗一定的条件下，如想减少合环电流，可利用系统阻抗大的馈线所带负荷小，系统阻抗小的馈线所带负荷大的原则，进行10kV网架的调整。从而使潮流变化引起的合环电流降至最小。

（3）合环前的电压差

电压差分为电压角度差和幅值差，产生电压角度差的原因是由于两侧馈线对应系统阻抗的不同。要改变其角度也就是改变系统阻抗，如何改变系统阻抗在（1）中已指出，这里不再赘述。而电压幅值差，可以利用现有的手段进行调整，比如调整变压器的档位，改变电容器的投切方式。但这些都必须以电压在合格范围之内为前提条件。另外需要说明的是，在配网系统中变压器档位的调整，对电压角度差的影响很小，几乎可以忽略。

（4）合环后的电压

合环后电压的大小同样也是影响合环电流大小的因素之一。在调整合环电压差尽量小的同时，如能适当的调高电压。同样也能减少合环电流。

参考文献：

[1]楼建杭.10kV配电网带负荷倒电的方法[J].浙江电力，2000，1（3）67-68

[2]戴雯霞，吴捷.基于支路电流的配网潮流前推后代法[J].继电器，2002，30（5）6-8

[3]李苏苏.基于配网潮流的合环电流分析与控制[D].北京：华北电力大学，2005

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

[5]葛少云，李晓明.基于戴维南等值的配电网合环冲击电流计算[J].电力系统及其自动化学报，2007，19（6）124-126

作者简介：

顾慧春（1981-），男，工程硕士，工程师，从事电网调度运行工作。

汤衡（1986-），男，本科，助理工程师，从事电网调度运行工作。