小水电接入对电网的影响

一是小水电机组容量大小不一，台数多，受调峰、来水等因素影响，机组启、停频繁，运行方式变化大；二是小水电出力与并网变电站负荷往往差距大，主要是依托主网运行，由于突然解列对其安全影响不大，在事故时一般是解列停机；三是并入网络中的继电保护及自动装置配置很简单，各联络线主要是简单的电流、电压保护，重合闸一般未配置检定无压及同期装置，小电源侧大多未设置保护，好多还未装设开关。由于大部分并网水电机组的过流动作时间较长，重合闸无法与其相配合，为防止故障跳闸后对小水电机组的非同期重合，在正常运行中需停用各联络开关的自动重合闸，降低了供电的可靠性。若逐级加装保护，须先安装开关，这不现实。为此，需要采取积极有效的保护措施来解决。

1 保护方式的选择
小水电与系统并网的一次典型接线如图1所示，对于变电站Ⅰ通常有两种构成型式：第一种电压等级为110／35／10 kV，接线组别为Y0／Y／Δ-11型；第二种电压等级为220／110／35 kV，接线组别为Y0／Y0／Δ-11型，如图虚框所示。对于开关1 DL的保护配置，以第一种型式的接线为例进行分析。

图1 小水电与系统并网接线图

1．1 典型保护配置方式
保护配置为：方向电流限时速断、方向过电流(或采用三段式距离保护)、同期及无压检定重合闸、低压低频解列。
（1） 限时电流速断
按与本线路对侧母线上的出线电流速断保护相配合，并躲过该母线上所接变压器的另一侧故障进行整定。当按躲过对侧母线上所接变压器的另一侧故障进行整定时，因小水电机组的阻抗相对于被保护的线路及变压器阻抗大若干倍，一般无保护范围。
（2） 过电流
按保护正方向通过的最大负荷电流整定，时限与下一级保护最高时限配合。正方向最大负荷电流应按变电站Ⅱ甩负荷fh后考虑，但当小水电在小方式运行时，往往灵敏度不够。
（3） 距离保护
小水电为弱电源，其短路电流水平较低，使距离保护装置性能处于不稳定区，且投资高，使用较少。
（4） 同期及无压检定重合闸
多数因解列后不易同步而检定同期重合无法成功，因小水电与变电站Ⅱ功率一般很难平衡，最终导致小网瓦解。
（5） 低压低频解列
失去大电源后，因小水电容量较小，在功率缺额较大时，频率及电压下降快，低频继电器不能出口，且它仅是解列装置，不能作为线路保护，也不宜采用。
1．2 电流保护解列方式
保护配置为：开关1 DL方向电流延时动作接跳开关2 DL，在联络线XL1、XL2故障时，动作解列小水电。按与本线路对侧母线上的出线速断(或限时速断)保护相配合，并满足保护正方向通过的最大负荷电流，要求在联络线XL1、XL2故障时有足够的灵敏度。
按各联络线故障有足够灵敏度计算的最大动作电流，在小水电大方式下，往往不能满足正方向通过的最大负荷电流，限制小水电的运行；在变电站Ⅱ突然甩负荷fh的同时，易导致小水电解列。
1．3 电压保护解列方式
保护配置为：开关1 DL方向低电压延时动作接跳开关2 DL，在联络线XL1、XL2故障时，动作解列小水电。当为瞬时故障时，利用线路XL1、XL2靠系统F侧开关的重合闸恢复对用户的供电。电压保护按与下一级保护的Ⅰ段或Ⅱ段相配合，并要求在联络线XL1、XL2故障时有足够的灵敏度。
电压保护解列克服了电流保护解列的缺陷：一是小水电运行方式越小，电压保护灵敏度越高；二是电压保护不存在对小水电发电出力的限制。既能提高对用户供电的可靠性，又能适应小水电的各种运行方式，是一种经济、有效的保护方式。
为防止电压回路断线，应加装电压回路断线闭锁装置(如许继厂的LB-1A型继电器)。在方向元件死区及保护或开关拒动时，为防止非同期重合，在联络线XL1、XL2靠系统F侧开关重合闸装置中，应加装检定无压及同期装置。根据电网实际，可增设方向电流电压联锁Ⅰ段，以快速保护装置保护本线路一部分，以及增设电流闭锁回路，增强保护的可靠性。在低电压与反向各保护装置有配合关系时，可不设或停用方向元件。

2 故障时保护安装处的电压分析
在图2所示的简单电网中，设系统归算至故障点的正序阻抗等于负序阻抗为X，系统归算至故障点的零序阻抗为X0，变压器一侧电压计算点距另一侧故障点正序阻抗为ΔX，计算中的各值均取其标么值的模，则正、负序分量有：

（1）

图2 简单电网示意图

2．1 三相短路

I=1／X， U=ΔX／X （2）

2．2 两相(B、C相)短路

（3）

（1） Y／Y-12型变压器一侧两相短路
计算点的电压矢量图如图3所示，则：

将式(1)、(3)代入上式，得：

由于以上电压是以相电压为基准的标么值，需以线电压为基准进行计算，所以：

（4）

图3 Y／Y-12型变压器一侧BC相短路

（2） Y／Δ-11型变压器Δ侧两相短路
计算点的电压矢量图如图4所示。

（5）

图4 Y／Δ-11型变压器Δ侧BC相短路

（3） Y／Δ-11型变压器Y侧两相短路
计算点的电压矢量图如图5所示。

（6）

图5 Y／Δ-11型变压器Y侧BC相短路

2．3 两相(B、C相)短路接地

（1） Y0／Y-12型Y0侧两相短路接地
计算点的电压矢量图如图6所示。

（7）

图6 Y0／Y-12型变压器Y0侧BC相短路接地

（2） Y0／Δ-11型Y0侧两相短路接地
计算点的电压矢量图如图7所示。

（8）

图7 Y0／Δ-11型Y0侧BC相短路接地

2．4 单相(A相)接地

IA1=IA2=1／（2X＋X0）
UA1=（X＋X0）／（2X＋X0）
UA2=X／（2X＋X0）
（1） Y0／Y-12型Y0侧单相接地
计算点的电压矢量图如图8所示。

（9）

图8 Y0／Y-12型变压器Y0侧A相接地

（2） Y0／Δ-11型Y0侧单相接地
计算点的电压矢量图如图9所示。

（10）

图9 Y0／Δ-11型变压器Y0侧A相接地

3 电压保护解列的整定计算
3．1 动作电压按保护灵敏度整定
（1） 故障为三相短路、两相短路及两相短路接地时
从式(2)、(4)、(7)可得：

式中 Udz．j——低电压继电器动作电压；
Zbh——保护安装处至被保护线路末端阻抗；
Zxtf．max——保护安装处背侧小水电系统最大运行方式下阻抗；
KE——发电机电势与PT一次额定电压的比值，取为1．1；
KK——可靠系数，取为1．3。
由于小水电机组的阻抗较大，若Zxtf．max是Zbh的3倍，则Udz．j=35．75V，按额定电压为100 V的DY系列低压继电器的最小刻度取为40 V，可充分满足整定要求。若定值要求较小，可用静态电压继电器。
（2） 故障为线路XL1单相接地时
从式(9)可知，保护安装处继电器电压大于50 V，故低电压保护解列不可能动作。但当线路XL1靠系统F侧开关单相接地保护动作跳闸后，对变电站Ⅰ：若主变高压侧中性点不接地，其间隙保护以一定延时(一般为0．5 s)切除故障；若主变高压侧中性点接地，其零序保护以一定延时切除故障。因此，在单相接地时用主变间隙保护及零序保护与系统F侧开关重合闸相配合，可弥补低电压保护解列的不足。
3．2 动作电压与对侧母线各出线的配合
以图1所示接线为例，设保护延伸至下级线路的电抗为X，当低电压继电器动作电压为Udz．j时，有如下方程，求得延伸范围X后，即可确定与对侧母线各出线的配合关系。

式中 KZ——为助增系数，等于（XMF．min＋XXL2＋XNf.min）／XMF．min
XNf.min——最小方式下，小水电f归算至母线N的电抗；
XMF．min——最小方式下，系统F归算至母线M的电抗；
XXL2——线路XL2的电抗。

3．3 动作电压与对侧主变第三侧的配合
在图10所示接线中，母线M为低电压保护解列安装处，设母线N所属线路的零序电抗为其正序电抗的n倍，低电压动作电压标么值为Udz，只要求出在各种故障时延伸出母线N的范围X1，就能方便地验算与母线N各出线保护的配合关系。

这个问题比较复杂，涉及经济、社会、电网稳定等问题。
首先，小水电站接入电网有以下3种典型方案：
方案一：装机容量在2MW以下，基本不具备可调节能力的小水电站，以10kV专线接入电网。
方案二：装机容量在2—10MW，具备一定调节能力的小水电站，使用专线以35kV接入电网。
方案三：装机容量在10—50MW，具备较强调节能力的小水电站，使用专线以110kV接入电网。
由于小水电站大都属于装机容量小、可调节能力差的径流式水电站，存在丰水期多发抢发、枯水期少发停发的特点，其上网电量存在极大的不确定性，波动幅度巨大，对电网的稳定及电力调度造成巨大的影响。允许小水电站接入电网使得电网公司承担了巨大的成本，管理成本完全由电网公司所承担。包括所有由接入系统引起而又无法或者很难直接观察和计算量化的各种成本。例如，由新的小水电接入系统后对现有电网线路和相关设备的损耗、对整个电网稳定性的影响以及对电力调度的影响等等。
通过加强小水电接入电网管理，能够引导小水电投资者经济合理地开发水电资源。水电开发的经济收益主要取决于小水电站的装机容量(发电量)，装机容量(发电量)越大，意味着接入系统的经济收益越高，越值得建设。电网公司采取鼓励小水电以较大装机容量和较高电压等级接入电网的政策，一方面减少了在接入系统建设上的单位投资成本，加大了小水电开发规模，使小水电投资者能够取得合理的回报，另一方面由于小水电上网电价较之其他电源具有一定的优势，通过鼓励小水电建设也使电网公司购电成本下降。
以重庆为例，经测算，由于新的小水电接入激励政策的实施，重庆市小水电年均创造综合经济效益1.2亿元，随着小水电开发力度的加大，还将创造更多的效益，造福于社会和当地人民。

首先，小水电站接入电网有以下3种典型方案：
方案一：装机容量在2MW以下，基本不具备可调节能力的小水电站，以10kV专线接入电网。
方案二：装机容量在2—10MW，具备一定调节能力的小水电站，使用专线以35kV接入电网。
方案三：装机容量在10—50MW，具备较强调节能力的小水电站，使用专线以110kV接入电网。
由于小水电站大都属于装机容量小、可调节能力差的径流式水电站，存在丰水期多发抢发、枯水期少发停发的特点，其上网电量存在极大的不确定性，波动幅度巨大，对电网的稳定及电力调度造成巨大的影响。允许小水电站接入电网使得电网公司承担了巨大的成本，管理成本完全由电网公司所承担。包括所有由接入系统引起而又无法或者很难直接观察和计算量化的各种成本。例如，由新的小水电接入系统后对现有电网线路和相关设备的损耗、对整个电网稳定性的影响以及对电力调度的影响等等。