包头电网轻重负荷区110 kV电网合环电流控制分析

2021-12-26尹瑞君

内蒙古电力技术 2021年6期

尹瑞君

（包头供电局，内蒙古包头 014030）

0 引言

随着内蒙古地区电网的发展，包头电网现已建成以高新变、包北变、威俊变、春坤山变、梅力更变、百灵变6座500 kV变电站为电源支撑，以500 kV相互联络，局属23座220 kV变电站为核心的东、西、南、北四个相互独立的220 kV供电区域的大型电网，地区东部供电区域以500 kV包北变和威俊变为中心，由包北变、威俊变与沙河变、古城变、沙尔沁变、土右变、达旗电厂、滨河变、麻池变、兴胜变、召庙变、莫尼变形成的500 kV、220 kV电磁环网构成，主要接带包铝等大工业负荷的轻负荷区域；西部供电区域以500 kV高新变1号、5号主变和梅力更变为中心，由高新变1号、5号主变、梅力更变与张家营变、民胜变、九原变、昆河变、鹿钢变、通威变形成的500 kV、220 kV电磁环网构成，主要接带包钢、通威、西沙湾、明拓、神华煤化工等大工业负荷的重负荷区域。东、西两个供电区域的220 kV联络线为张家营变与召庙变的张召双回，为冷备用状态。

地区电网实行分层分区运行后，给电源分别取自东、西两个区域的110 kV变电站的合环操作带来很大影响。以往因为在同一个区域内，110 kV变电站合环倒负荷操作产生的合环电流在允许范围内。但从东、西两个区域的联络线路220 kV张召双回解环后，110 kV变电站进行合环倒负荷操作时，合环瞬间将产生较大的冲击电流，从东部轻负荷区域流向西部重负荷区域的稳态电磁环网潮流将造成110 kV合环线路过载，直接影响电网的安全性和稳定性。

针对上述问题，包头供电局调度处在合环操作前对合环电流进行计算，判断合环电流是否越限，为调度提供依据，但实践操作表明，该方法误差较大。本文根据多年的调度运行经验，结合电网方式改变前后潮流变化和合环电流的影响因素等，以包头电网合环电流最大的河西变110 kV母联合环操作为例，提出电源线路分属轻重负荷区时合环电流控制措施。

1 系统接线与合环条件

包头电网220 kV张家营变、召庙变系统潮流图如图1所示。一次系统接线图如图2所示。

地区电网合环操作主要分为同电压等级的合环和不同电压等级的运行线路经变压器电磁回路连接而构成的电磁合环[1-2]。根据电力系统调度规程，分区运行的电网在合环时应满足同一系统下、相位正确、电压差在20%以下3个条件[3]。河西变满足同一系统这一合环要求。

2 河西变合解环操作分析

2.1 合环前运行方式

合环操作前，110 kV河西变、220 kV召庙变及张家营变运行方式如下：

（1）河西变电源分别取自220 kV张家营变和召庙变，其中召河线111开关带110 kVⅠ母、1号主变系列运行；河西线121开关带110 kVⅡ母、2号主变系列运行；母联110开关、310开关、910开关为热备用。

（2）召庙变两台主变压器220 kV侧、110 kV侧并列运行，10 kV侧分列运行，母联212开关、110开关合环运行，母联910开关热备用；召河线156开关在110 kVⅡ母运行，正常情况下允许最大电流为610 A。

（3）张家营变3台主变压器220 kV侧、110 kV侧并列运行，10 kV侧分列运行，其中3号主变压器10 kV低压侧无电气接线；母联212开关、110开关合环运行，母联910开关热备用；河西线111开关在110 kVⅠ母运行，正常情况下允许最大电流为600 A。

2.2 合解环操作

如图2所示，当110 kV河西线计划停电检修时，地调调度员需要通过合解环操作，将河西变河西线121开关所带110 kVⅡ母、2号主变系列负荷转移至召河线111开关带。合环操作前，一般先调整220 kV张家营变、召庙变主变压器的分接头进行调压，使河西变母联110开关两侧母线电压接近相等，然后进行母联110开关合环操作，最后拉开河西线121开关解环。

实践证明，虽然合环点两侧电压接近相等，但合环操作仍然会产生很大的合环电流，基本在650~920 A波动。合环电流出现这种波动是由合环操作的时间段不同（高峰、平段、低谷）和两个区域负荷变动造成的。

2.3 合环后环流方向

合环后产生的稳态电磁环网潮流，由220 kV召庙变通过合环线路召河线、河西线流向220 kV张家营变110 kV母线，一部分在110 kV母线上实现就地平衡，另一部分通过主变压器进入220 kV系统，形成的环流造成合环线路过载。

2.4 影响合环电流的因素

2.4.1 合环电流产生原因

河西变进行合环操作时,合环线路的两侧电源处于分列运行状态,它们之间的联络开关在断开位置，其上级220 kV电源召庙变、张家营变为开环运行，500 kV电源为环网运行。分析合环电流产生的主要原因如下：

（1）联络开关两侧变电站母线存在电压差；

（2）联络开关两侧合环线路对应的系统阻抗不同；

（3）联络开关两侧合环线路对应的系统负荷相差过大。

2.4.2 合环电流产生过程

地区电网母线间进行合环操作时，由于合环前合环线路两侧存在电压差，即ΔU≠0，当合环开关闭合时，两端的电压差发生突变，必然引起环网内各节点电压大小和角度的变化，连接于环网的发电机的电势和角度也将随之产生变化。但发电机的转子是有惯性的，发电机的角度，也就是转子的角度不能突变，需要经过一个摇摆过程才能达到新的稳态值，因此当合环开关两侧的电压相角或频率不相等时，发电机和环网线路合环后必将产生功率振荡，从而产生冲击电流和电磁环网的环流[4-5]。

2.4.3 合环电流影响因素

将合环电流产生的原因与调度SCADA系统监测到的环网路径的数据量值结合起来，分析合环电流大小主要与以下因素有关：

（1）合环线路所属分区不同；

（2）合环前合环开关两侧存在电压差；

（3）电源点到合环点供电路径的相关主变压器的阻抗；

（4）电源点到合环点供电路径的相关主变压器所带负荷；

（5）合环线路所带负荷。

上述因素中（3）—（5）是通过影响电压相位差来影响合环电流的。

3 合环电流控制措施

3.1 调整系统电压，控制无功潮流

由于电磁环网潮流中的无功潮流是从电压高的节点流向电压低的节点，因此控制电压（合环点两侧电压幅值）能够有效控制无功潮流。合环前，通过改变张家营变主变压器分接头或投入张家营变电容器，提高河西变110 kVⅡ母电压至116.5 kV；通过改变召庙变主变压器分接头或退出召庙变电容器，降低河西变110 kVⅠ母电压至114 kV，使合环点两侧母线电压差为2.5 kV（西部重负荷区域110 kVⅡ母电压高于东部轻负荷区域110 kVⅠ母电压），再进行合环操作，使得环流基本在允许范围之内，保证合环线路不过载。该方法在实际操作中经过多次验证，电压差值取1.8~2.5 kV可行且效果明显（前提条件为电压在合格范围之内）。

3.2 改变环网阻抗，减小电压相位差

当合环线路对应的系统阻抗相差较大时，即使合环点两侧变电站的母线电压相同，合环操作也会产生很大的合环电流，究其原因是系统阻抗不平衡[2]。因此要减小合环电流，最根本的方法是将110 kV变电站的两条进线电源改接至同一个220 kV变电站内，使其系统阻抗平衡。在电网结构已定的情况下，要改变系统阻抗，减小合环电流，只能改变系统运行方式。但实际操作中电网大范围的有功潮流转移存在诸多困难[2]。

有功潮流的流向是由系统两端电压的相位决定的（从相位超前的流向相位滞后的）。根据河西变合环的潮流流向、潮流大小，110 kVⅠ母电压超前110 kVⅡ母电压，110 kVⅠ母相位角远大于110 kVⅡ母相位角，合环点处的电压相位差较大。而产生电压相位差的原因是两侧合环线路对应的系统阻抗不同，要改变其相位差就要改变系统阻抗[2]。

根据并列运行主变的总阻抗要小于分列运行主变的阻抗这一要求，可以小范围调整变电站运行方式来改变系统阻抗。以河西变为例，合环操作前，可将张家营变110 kV母线由并列运行改为分列运行，增大环网阻抗；召庙变10 kV母线由分列运行改为并列运行，减小环网阻抗，减小合环点处的电压相位差，再进行合环操作。该方法能够有效降低合环冲击电流，同时能够在一定程度上减少电磁环网潮流中有功潮流流入张家营变。

3.3 调整环网负荷，减小电压相位差

当合环开关两侧所带负荷相差过大时，即使合环开关两侧变电站母线的电压相同、系统阻抗比较接近，合环操作也会产生很大的合环电流[3]。其原因是合环点两侧的负荷会通过影响电压相位差来间接影响合环电流的大小，而相位差与电网的结构和负荷分布有关，因此对合环点两侧的负荷进行适当调整，改变负荷分布，可以减小合环点的合环电流。

张家营变220 kV母线直接接带包钢、通威两大工业用户，负荷较重，导致河西变合环点处电压相位差较大。要减小河西变合环点处的相位差，需改变包钢、通威两大用户的运行方式，对其所带负荷进行转移，但该方法并不可行。建议对张家营变110 kV、10 kV母线负荷进行小范围的局部调整：可将张家营变110 kV母线由并列运行改为分列运行，分流环网中的110 kV母线负荷；也可将张家营变1号主变压器的10 kVⅠ母负荷转移至2号主变压器，降低1号主变压器负载，降低环网内负荷，减小合环点处的电压相位差，从而减小合环冲击电流，降低电磁环网潮流。