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小水电对配网用户的影响分析及预防措施

范文

谭艳君陈志峰

摘? 要：随着水力发电技术的迅速发展，水利资源丰富的地区有大量分布式小水电接入当地配电网。并网小水电在向电网输送功率的同时，由于缺乏规范化管理等原因，含有小水电的配网线路会出现电压过高等现象。含小水电的配网线路由于主供线路故障跳闸后，会形成孤网运行，线路将出现高频、高压的工况，严重时引起用户电器设备损坏，同时也影响线路的检无压重合闸。该文从小水电运行机理出发，对小水电影响配网用户的原因进行了分析，并提出了具体的预防措施，为减少小水电对配网用户的影响提供了具体的改进思路。

关键词：小水电;高频;高压;配网用户

中图分类号：TM773? ? ? ? ? 文献标志码：A

0 引言

在水利资源丰富的地區，水电站通常以“T”型接线接入10 kV配电线路。因此当主供线路故障跳闸后，容易形成小水电与配网用户孤网运行的情况。孤网运行时若小水电出力大于用户负荷，将出现高频、高压的工况，严重时将引起线路用户电器设备的损坏。同时，为保证主供线路所带负荷的用电可靠性，通常在主供线路检修时，将线路负荷切换到备用线路上。若备用线路过长，由于水电出力送出，也将造成线路过电压的情况。

此外当线路主供电源保护动作于瞬时故障时，主供电源跳闸并脱离配电线路。但是小水电仍保持运行状态，因此跳闸线路仍有电压。线路重合闸的动作条件之一是待合线路失去电压，但是有水电接入的线路往往不符合这一条件，因此会造成重合闸设备重合失败，瞬时性故障变为永久性故障。继而使用户停电时间延长，降低了线路供电的可靠性。因此分析小水电的运行特性并采取相应的预防措施将有利于减少小水电对配网用户的影响。

1 含小水电的配网线路频率变化分析

根据水轮机的转子运动方程：

（1）

式中：J为转子的转动惯量;w为转子的角速度;Pm为发电机机械功率;Pe为发电机电磁功率;?P为不平衡功率。

由式（1）可以看出，由于转动惯量J保持不变，因此转子角速度的变化率与水轮机的不平衡功率?P成线性关系。当含小水电的配网线路正常运行时，不平衡功率?P=0水轮机转子转速保持恒定，即频率恒定;当断开瞬间形成孤网运行时，水轮机机械功率保持不变，而电磁功率大幅度减少，则?P>0转子加速运动，引起频率上升，严重时水轮机会出现飞机现象;当?P<0时，转子减速运动，频率降低。频率的上升或下降都严重影响用户的供电质量。

2 含小水电的配网线路过压分析

由于山区小水电以径流式为主，出力取决于河流的径流量，且不投入自动励磁调节装置，理论分析时可等值成一个带内阻的恒电压源。

2.1 孤网过电压

小水电不投入自动励磁装置而保持输出电势Eq不变，当发电机输出功率减小时，功角δ减小，发电机端电压VG便要增大。图1为具有隐极发电机的简单电力系统的向量图。图中XdΣ为系统总电抗，XTL为变压器与线路总电抗，Xd为发电机电抗。在给定运行条件下，发电机端电压的端点位于电压降上，位置按XTL与Xd的比例确定。当输送功率减小，δ由δ0减小到δ1时，向量应位于电压降上，其位置按XTL与Xd的比例确定。由于Eq=Eq0=常数，随着向功角减小方向转动，也随着转动，而且数值增大了。很明显，上述结论也适用于系统中任一中间接点的电压。

正常运行时，小水电通过配网线路向电网输送功率，发电机功角δ及端电压VG保持不变。当主供线路故障跳闸后形成孤网，发电向线路输送功率减小，使得功角δ减小，引起发电机端电压VG增大，从而抬高孤网线路电压。

此外根据电压降的计算公式：

（2）

小水电通过配网线路串接入变电站。由于发电机在向电网输送有功的同时也输送无功功率，而感性无功功率的传送需从电压较高的一端传送至电压较低的一端，因此变电站10kV母线作为受端系统，其电压较小水电端电压及沿馈线的各负荷节点电压低。当主供线路故障跳闸后，导致小水电发出的有功及无功功率无法输送到电网，使沿馈线的各负荷节点处电压均被抬高。因此，含小水电的配网线路孤网运行时极易引起线路过电压，严重时会造成线路上用户用电设备的损坏。

2.2 转供电电压

根据发电机功率特性：

（3）

式中：P0为发电机传输功率，Eq发电机输出电势，V为受端电压，XdΣ为线路总阻抗，角度δ为功角。

由式（3）可以看出，当主供电线路通过线路的联络开关进行转供电，使小水电转由路径更长的线路上网时，会使线路总阻抗XdΣ增大，而受端电压V由于受到变电站母线电压的钳制而保持不变，因此发电机输出功率P0减小，功角δ减小，使得发电机端电压VG增大，从而引起靠近小水电侧线路电压被抬高，进而影响用户用电设备的正常运行。

3 预防措施

针对小水电线路可能出现的高频、高压的工况，目前采用的通用方法是在小水电侧配置过电压保护，但单纯的过电压保护在系统电压波动时容易误动，严重影响小水电机组的正常运行，因此造成过电压保护投入率不高。

3.1 在电压保护装置中增加电压增量的判据

通常情况下电压变化率大于每秒1%，即为电压急剧变化，根据国家标准10 kV及以下系统电压波动允许值为2.5%。根据含小水电的配网线路过压分析可知，由于水轮机组的惯性作用，大多数情况下电压变化率及持续时间相较于电压波动有明显区别。因此在电压保护装置中增加电压增量的判据，并按躲开电压波动的情况进行配置，即可满足在过电压时可靠地切除线路小水电的要求。

3.2 在保护装置中增加频率判据

由于正常的线路电压波动其频率不会发生变化，而含小水电的线路在其产生过电压的同时通常还伴随着线路频率的变化，因此可在过电压保护装置中增加频率的判据以正确判断小水电线路过电压的情况，并及时切除水电机组，减少对线路用户的影响。

3.3 采用孤网自动同期并网装置

当主供线路故障跳闸后，解列小水电将有效缓解线路过压风险。当过电压不严重时，还可采取孤网运行后自动同期并网的方式恢复供电，具有检同期并网功能的重合闸或备自投装置，在变电站孤网运行后检测到频差、压差、角差符合要求时自动同期合闸，从而实现用户的不间断供电，可实现小水电的综合利用。

3.4 对小水电投入自动励磁装置

无自动励磁装置投入的小水电线路，在线路输送功率减小时会抬高线路电压。而自动励磁装置可对发电机的输出电压进行调节，更好地分配线路及系统的无功功率，增强线路电压的稳定性。由于目前很难在所有小水电端进行改造，因此常用做法是在小水电支线的分界开关处安装自动投切装置，过电压时切除小水电，线路主供电源正常时投入小水电。此种方法可有效避免产权纠纷及用户电站的改造问题。

参考文献

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