摘要：本文针对配电线路合环建立实用系统模型，通过潮流计算软件分析合环操作前后系统运行状况，得出当系统结构和容量一定时，流过合环点的电流与合环点两侧的矢量电压差基本成线性关系。提出了一套可靠、实用的合环判据，并设计和开发了合环检测装置以及合环潮流计算软件，研制了防电弧操作盾装置，为配电线路可靠正确合环操作提供了有效而方便的指导。
关键词：合环；装置；电压矢量差；潮流计算；防电弧操作
1 引言
随着电网系统的不断发展，客户对供电的连续性和电能质量的要求越来越高，10kV配网计划检修停电、故障停电直接影响客户的可靠供电。本文主要研究配网合环系统的模型建模，通过潮流计算软件的计算，提出确保合环操作后系统运行参数变动在所能承受的范围内的有效方法，并研制出一套便携式的合环参数检测装置，便于在现场检测状态数据，判别当前系统是否允许合环。本研究中的装置为防电弧操作盾装置研，操作简便、可靠，具有很好的实用价值。
2 10kV配网线路合环模型分析与计算
2.1 系统分析
配网线路通常呈现辐射型分布，从主干线引出支线，支线上挂接若干配电变压器，通过配电变压器降压后向附近用户供电。线路负荷节点众多，负荷节点线路阻抗以及负荷大小无法准确计算估计，因此无法对整个配网线路进行精确的潮流分析计算。
配网线路合环前后系统线路负荷波动不大。本系统中认为各个分负荷节点基本保持不变，功率仅仅是在母线之间重新分布而已。由以上系统特性，合环系统仅对10kV母线及其上级线路产生影响，合环电流的计算也由10kV母线及其上级线路参数决定。
2.2 合环系统建模
通常电力系统中110kV及以下系统允许合环运行，即允许合环运行的系统上级公共点是110V母线。
220kV线路经变压器T0降压到110kV，然后分别经T1和T2降压到10kV。变压器T1侧的10kV母线假设有10回出线，变压器T2侧的10kV母线假设有10回出线。其中两回出线在线路末端通过断路器合环。
系统合环后，系统功率重新分布，两个变电站的负荷通过合环点相互转移，达到一个新的平衡。为了更准确的分析合环对系统的影响，我们开发了潮流计算软件计算合环前后系统各部分的运行状态数据，从而得到合环时流过合环点的电流，该电流的大小即决定了合环操作对系统冲击的大小。
2.3 合环潮流软件计算
进行潮流计算分析需要获取当前系统模型中多个参数，包括变压器参数、线路阻抗参数和各回路负荷大小等。
合环潮流计算软件基于Matlab，采用牛顿法进行潮流计算。将110KV母线作为平衡节点，即电压与相角的基准：电压为110kV， 相角为0度。通过不同的变压器连接到不同的10kV母线。由于不用涉及到发电厂，故将其余各节点都作为PQ节点进行处理。
将系统参数输入潮流计算软件可以得到系统的状态数据，包括各个节点的电压，各条支路电流等，包括合环电流。
3 合环判据以及整定值确定
3.1 影响合环电流的相关因素
合环后系统功率重新分布，但是系统总的负荷保持不变。如图1所示模型，支路10和支路11进行合环操作，假设系统平衡后合环电流是从右侧流向左侧可以理解为左侧的负载回线的部分功率是右侧的主变T2通过线路11和线路10提供的。从系统能量流动条件上分析则系统能量从右侧流向左侧必须满足右侧10kV母线电压高于左侧10kV母线电压。由负荷不变原则，我们可以将合环电流看做是一个流经支路10、支路11、变压器T1支路和变压器T2支路的环流，其余负荷支路对合环电流大小影响较小。因此合环电流大小相关因数如下：
（1）线路负荷情况及110kV/10kV变压器阻抗大小
（2）环流回路线路阻抗大小
线路负荷情况以及110kV/10kV变压器阻抗大小决定了系统合环前两侧母线电压差大小，而环流回路线路阻抗大小决定了在相同压差下合环电流的大小。
以上两个因素是主要因素，用于精确计算虽略有不足，但可以对合环电流进行有效估算。通过仿真和计算发现，系统的合环电流的大小与合环点两侧的线路电压基本呈线性关系。分析系统我们可以理解为：当系统模型建立确定后，系统环流回路阻抗已固定，合环电流的大小与母线电压差大小基本呈线性关系。
3.2 合环约束条件
系统能否进行合环操作取决于合环电流是否在系统承受范围内。由于系统模型参数等均是简要计算，所以我们得到的电流仅仅是一个粗略值。因此为了保证合环操作在系统承受范围内，我们可以取相对大的裕度来保证合环操作的可靠性。根据现场实际情况分析我们取得合环的约束条件：
（1）线路允许合环最大电流、线路当前负荷电流以及线路允许载流满足以下关系：I合I暂max+ILD = 1.8I合max+ILD，其中IⅢ为线路第三段保护动作值。
同样也应满足如下关系：IG>I合max+ILD，其中IG为线路过负荷保护动作值。
3.3 合环整定值选择
由于软件计算的合环电流并非精确计算值，为了保证安全可靠须取较大的裕度。为保证合环判据收敛，我们选取1.5倍的裕度，即通过上述约束条件我们得到线路允许合环最大电流为I合max，选择合环整定值IZD=I合max/1.5。在实际操作中，若软件潮流计算得到的合环电流I合<I合max/1.5，则允许进行合环操作。
4 合环的运行方式
4.1制作系统简图
为了更好地对线路的相序相位进行核对分析，就需要对线路、电源电压、主变进行整理，并绘制出系统简图。不过需要注意的是，对于早期相角差为30°的主变供电要在图中进行特殊标明，对于存在角差的变压器的供电线路使用停电倒电。
4.2选取合环点
在各条线路的主干上安装分段开关，首先在没有负荷位置的变电站出口的10kV线路上安装首个开关，功能类似于变电站开关，在合环倒电系统中非常的重要，而且在处理事故效率方面也是非常高效的。合环点开关应尽量选择交通便利的地方作为安装位置。例如，公路旁边等。同时，分段开关的选取要考虑到是否可以对负荷进行均匀分配，对一般负荷和重要负荷进行区分。
为了保证合环的安全性，应该把合环电流控制在保护动作范围内。根据上级电源的不同，要选择不同模式的合环点。（1）在对不同的变电站进行合环时，在解、合环操作前，要把中性点接地的闸刀合上，合环结束后，将其拉开。这种方法产生的合环电压差比较大，危险性也比较高。（2）对于同一变电站的合环，合环点和母线在单主变带全母线的运行状态下是并联的，如果断开母联，会导致线路负荷增加，损坏线路和开关，所以在进行操作前，首先要计算线路和开关是否可以满足要求。（3）根据合环线路处于的10kV母线的不同，使用的合环方式也是不同的，同段线路合环一般使用“等电位”这一方法来进行合环，稳定性比较高，不同的合环点在合、解环时，要制定各不相同的安全处理方案。
4.3合环点的相角差和电压差
在进行合环操作时，有功、电压、无功、电流的幅值比较容易得到，而相角差比较不容易通过计算得到，所以，通常对于同级电源的变电站，主变接线组别是相同的，线路负荷差也比较接近，线路相角差也不大，然后再把电压差调整到最低即可满足合环要求。
4.4核相
为了避免巨大的冲击电流损坏系统，合环倒电工作首先要处理电压相角差的问题。当前，主要使用高压核相仪对电网进行进行核相，不仅使得合环操作更加安全，同时也降低了操作难度。（1）在10Kv线路的合环点进行核相时经常会使用到高压核相仪。异相指的是相位差值超过30°，同相指的是相位差值低于10°。不同相的电压差接近10.4kV，同相电压差接近0，两侧每相对地电压近似为5.9kV。（2）相位和相序不同的交流电源进行合环或者并联时，会有非常大的电流产生，进而导致设施损坏的情况发生，所以操作前，要检查相序和相位。为了避免线序接错产生的事故，就需要进行核相工作。
5 防电弧操作盾装置研究
变电站10kV母线的短路电流控制在20kA以内，不同10kV母线10kV线路合环运行时，电网的短路电流很可能超出环网柜的额定耐受电流20kA，不但引起电弧喷出，还可能引起结构解体。最大短路电流是在三相接地短路时出现。而在10kV线路合环转供电操作过程中，最可能在分、合闸操作时发生三相接地短路，并且此时人员贴近故障设备，人身风险也最大。在超出环网柜的额定耐受电流操作时，虽然故障的机率很少，但很有必要提前做好人身的防护，在防止电弧灼伤的同时防止箱体爆炸引起的械性伤害。
由于目前各类的配电网环网柜有的采用旋转方向，有的采用上下方向，而且操作杆尺寸都不相同，如果采用一种电动机器完成各类环网柜操作十分困难，因此，设计了专为配电网环网柜操作而设计一款防电弧操作盾。配电网环网柜防电弧操作盾采用防电弧的合成透明材料制作，宽1米，高2米，厚1厘米，采用弧形设计。在配电网环网柜防电弧操作盾中间向上制作一个80厘米长，10厘宽的操作孔（并且该孔在盾外侧配置一块85厘米长，15厘米宽，1厘米厚的防弧透明挡板。通过操作也，使用操作杆可以对旋转方向、上下方向操作的环网柜进行操作，达到防电弧的目的。
6 结语
本文对配网线路合环操作的允许条件进行了研究，针对典型的合环系统进行建模和潮流计算软件设计，提出了一套实用的允许合环的条件判据。根据该判据开发了配套的防电弧操作盾装置，以对待合环开关两侧10kV线路的电压和相位检测。通过实际合环操作试验，验证了合环模型、判据的正确性，验证了防电弧操作盾装置的有效性、简便性，实现不停电合环转供电远程操作，降低操作风险。
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项目名称：配电线路不停电合环转供电以及自动合环装置研究
项目编号：031900KK52180063
论文作者:诸仲钰
论文发表刊物:《电力设备》2018年第28期
论文发表时间:2019/3/26
标签：操作论文; 电流论文; 线路论文; 系统论文; 母线论文; 电弧论文; 负荷论文; 《电力设备》2018年第28期论文;