220kV高压电网电磁解环的理论与方法研究

220kV高压电网电磁解环的理论与方法研究

发表时间：2018-07-26T11:51:07.313Z 来源：《电力设备》2018年第10期作者：彭颖1 张昌顺2

[导读] 摘要：为了满足不断增长的用电需求，输送更多优质的电力，电力系统需要建设更高电压等级网络。

(1国网济宁供电公司山东济宁 272000;2华能济宁高新区热电有限公司山东济宁 272000)

摘要：为了满足不断增长的用电需求，输送更多优质的电力，电力系统需要建设更高电压等级网络。在新的更高电压等级网络问世的初期，其网架结构不可能十分坚强，需要一个逐步完善、强化的过程。而在这个过程中，低一级电压电网常常通过变压器电磁回路的联结，与高一级电压电网形成并列运行的格局，称为“电磁环网"。这种环网结构可以保障当局部区域失去高压电源时，能够通过低电压等级网络实现电力的传输和调剂，以改善供电的可靠性和灵活性，但却给电网的运行管理带来一些不良影响。近年来，国内外与电磁环网相关的大停电事故屡见不鲜。中国学术界认为，解环是必然的选择，最终实现分层分区供电才是大电网建设的方向和目标。但是，对解环的必备条件和基本原则、解环时间和地点的判断与选择、解环幅度及其实施进程的控制与把握等关键性技术问题，尚缺乏统一的认识。

关键词：220kV；高压电网；电磁解环；理论方法

1电磁环网的概念和形成原因

电磁坏网指不同电压等级的输电线路通过变压器电磁回路的联结并列运行所形成的环形网络，通常在两个相邻电压等级的电气设备间形成，而两个以上电压等级的电气设备间形成电磁环网的情况一般仅在事故处理等过渡时期才暂时出现。

纵观国内外电力系统，不同电磁环网的形成原因各不相同，如：各电网间的统一管理制度不完善、电网发展初期的规划设计思路不周全、电网发展过渡期的运行方式不正常、各供电分区的电力供需不平衡等。究其客观原因，是由于随着国民经济的不断发展，电力需求不断增大。但负荷中心通常远离电源中心，需长距离、大容量输电。一般的解决办法是采用更高电压等级电网输电，而原承担主要输电任务的低电压等级电网则降格为次要输电网或配电网，只承担短距离输电或就地供电的任务。在更高电压等级电网形成的初期，网架结构比较薄弱、负荷密度也相应较小，从经济性出发其变电站常常仅为单主变配置。此时，对供电分区电网来说，高电压等级电源的可靠性难以满足供电可靠性要求。因此，高、低压等级输电线路不可避免地沿同一路径输送电能。甚至因为地区经济的发展，有时还需沿此路径新建低电压等级输电线路。于是，低电压等级电网必然形成相互紧密联系的网状结构，以保障在因检修或故障而失去高电压等级电源时，能通过低电压等级电网实现功率传输和电力调配，从而保证供电可靠性。

可见，电磁环网的形成原因可以归纳为：(1)观念原因在观念上忽视了电磁环网的缺点，认为电磁坏网供电可靠，能增强电网供电能力、减少电网建设投资，为了追求局部供电可靠性而采取环网运行。(2)规划原因在规划过程中，因不能对网架结构进行长远、合理的分析和设计，致使某些通道输电容量不足，从而在同～路径上规划了不同电压等级的线路，形成电磁环网。(3)管理原因组成联网系统的各子系统独立经营、分散管理，不可避免地会出现不同电压等级电网并列运行的情况。美国电网就是典型的因管理分散而形成的大电磁环网。 2电磁环网的运行特性与结构优化

2.1稳定和短路

存在失稳风险的电磁环网主要是承担大功率外送或向末端供电的强耦合型电磁环网,特别是典型弱环网。上级主干通道故障后仅剩下级输电通道,系统阻抗为故障前的数倍(如3~5倍),易导致功角失稳;另一方面受端失去主要支撑,易导致电压失稳。当上级电网存在两个及以上输电通道时,电磁环网的存在减小了系统整体阻抗,因而并不一定会对系统稳定产生负面影响,需要结合网络结构具体分析。影响系统短路水平的主要因素为电源规模和网络阻抗,电磁环网的存在降低了系统短路阻抗,但未必是影响短路水平的决定性因素:对于下级电气距离较长、联系不够紧密的电网,电磁解环抑制系统短路水平的效果一般只有0.5~3.0kA;反之,对于下级电气联系非常紧密的电网,电磁解环抑制系统短路水平的效果可达3~6kA甚至更高,对于诸如两个500kV站中压侧短线直连的极端情况,解环后两站中压侧短路电流可下降10kA以上。此外,电磁环网对于上级电网的短路水平影响较小(如1kA左右)。另一方面,由于上、下级电网的短路容量存在巨大差异,上级对下级电网注入的短路电流较大,联络变压器(简称联变)中压侧往往成为下级电网短路水平控制节点。以某电网为例:一台750MVA或1000MVA主变对其220kV侧母线提供的三相短路电流分别可达7~13kA或9~15kA(考虑负荷的马达效应)。因而,变电站中压侧母线分列运行可显著降低系统短路水平,这与电磁环网关系不大。因此,短路水平控制的核心仍在于合理控制分区电网规模(装机容量、负荷),电磁环网解环应服从电网合理分区的需要,而不能仅考虑局部短路控制。

2.2电磁环网的结构优化

消除电磁环网运行风险的根本措施是实施电网解环,比如110kV电网基本为辐射+链式供电结构。然而,由于超高压电网输电容量大,对安全可靠性要求高,较长时期内电磁环网仍将大量存在,但将通过解环分片使其结构更加简单清晰。原则上一个分区内至少应有三台联变,且与外区至少有三回上级联络线(确保检修方式下的供电安全)。其中,上级两站直连的(或三站,取决于下级网络的紧密程度和供电范围)手拉手结构仍是电磁环网,但结构简单清晰,一般每站有两台主变为宜(主变过少影响供电能力,过多则中压侧短路水平易超标),可兼顾短路控制和供电能力等各方面的需求,但要求区内联络线具备足够的互供(功率交换)能力。若上级变电站不直连,则不再是电磁环网或是隐性电磁环网。单站手拉手结构只有一个上级变电站,但出于短路控制要求将其中压侧母线分段运行,在形式上消除了电磁环网,但仍需考虑一台联变跳闸后下级电网的潮流转移控制。这种结构往往适用于供电区域相对较小的分区电网,否则可能会出现供电距离过长的情况;且考虑变电站全停风险,其供电可靠性相对较低。馈供结构是电磁环网彻底打开的形式,不存在电磁耦合,缺点是降低了供电可靠性,特别是母线检修方式下需足够备用联络线支持以确保供电安全,适用于供电区域和规模较小的分区电网;由于下级变电站之间缺乏互供,可能需要更高的设备冗余。实际电网中,馈供结构较为少见,且往往会发展成为其他供电结构。值得推荐的是单站背靠背型手拉手结构,即随着单站主变的增加,变电站中压侧母线分列运行,每个分站再与其他变电站母线分列运行后的分站形成手拉手结构,这既是出于短路控制的需要,也增加了网络结构调整的灵活性,对电网发展适应性也较好。

结论

合理的电网结构,能够为电力系统内发、输、变电设备提供安全稳定运行的环境,有利于事故处理和故障后恢复,有效避免恶性事故的发生和发展,满足用户可靠用电的要求,适应电网发展和负荷增长的需要。在电网建设和规划电网发展时,必须考虑网架结构的合理性,它是系统安全稳定运行的基础。针对实际电网潮流复杂多变的情况,有必要研究基于在线稳定分析系统的电磁环网(特别是复杂/隐性型电磁环网)精准