50050000 k Vk VVV變電站主變中性點加裝小電抗的應(yīng)用研究

胡宏宇,楊 柳

（1.江西省電力公司檢修分公司，江西南昌 330096；2.江西電力設(shè)計院，江西南昌 330029）

0 引言

隨著江西省國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，用電需求大幅增加，2011年1月4日，江西電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)最高用電負(fù)荷已突破12 020 MW。為滿足經(jīng)濟發(fā)展對電力的需求，江西電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，電源建設(shè)、省外交換電力、變電站布點相對增多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得到加強，但同時也使得短路電流問題在江西電網(wǎng)日益突出。

500 kV、220 kV自耦變壓器的應(yīng)用造成電網(wǎng)大部分500 kV變電站和附近變電站220 kV母線的等值零序阻抗小于正序阻抗，導(dǎo)致220 kV母線單相短路電流超過三相短路電流水平。為此，有必要根據(jù)電網(wǎng)發(fā)展情況，研究多種措施來限制江西電網(wǎng)系統(tǒng)短路電流，包括在500 kV變電站主變中性點裝設(shè)小電抗。

1 500 kV主變壓器采取措施降低220 kV電網(wǎng)短路電流

1）增大500 kV變壓器的短路阻抗。

這一措施對降低500 kV變電站220 kV母線的短路電流有明顯效果。但隨著變壓器短路阻抗的增大，其本身的無功損耗大量增加，對系統(tǒng)的電壓水平影響較大，且有一定設(shè)計和制造難度。

2）用普通三圈變替代自偶變壓器[1]。

這一措施對降低500 kV變電站220 kV母線的短路電流有一定的效果。但要明顯降低短路電流，必須增大普通三圈變的短路阻抗或改變中性點接地數(shù)目。增加短路阻抗，也會使系統(tǒng)無功損耗增加，系統(tǒng)電壓水平降低；改變中性點接地數(shù)目，會降低系統(tǒng)有效接地程度。

3）變壓器中性點經(jīng)小電抗接地。

采用中性點經(jīng)小電抗接地則可將單相短路電流限制到三相短路電流水平[2]。由于江西電網(wǎng)的500 kV主變都是采用自耦變，其單相短路電流容易越限，較有效的解決方法是在500 kV自耦變的中性點安裝小電抗，這樣既不受電網(wǎng)的限制，極具推廣性，又可避免大量更換斷路器的繁雜工作和資金浪費，能帶來很好的社會和經(jīng)濟效益。

2 500 kV夢山變電站主變中性點加裝小電抗

2.1 加裝小電抗的必要性

根據(jù)江西電網(wǎng)近遠(yuǎn)期短路電流計算結(jié)果，“十二五”期間，江西電網(wǎng)220 kV系統(tǒng)短路電流水平大幅上升，多處超過50 kA，規(guī)劃采用500 kV/220 kV高、低壓電磁適度解環(huán)分區(qū)、部分變電站母線分裂運行、加裝變壓器中性點小電抗接地、提高斷路器的遮斷容量等措施來限制系統(tǒng)短路電流上升。

根據(jù)系統(tǒng)短路水平計算結(jié)果，江西電網(wǎng)在不采取限流措施情況下，2011年南昌變與夢山變220 kV母線短路電流已然超標(biāo)，220 kV南觀I、II線南昌側(cè)解環(huán)后，220 kV母線單相短路電流水平均超過46 kA，遠(yuǎn)高于其他變電站短路電流水平。為此，應(yīng)優(yōu)先考慮在南昌變、夢山變主變裝設(shè)小電抗器。從前期工作進展情況看，由于南昌500 kV變電站投運較早，現(xiàn)有的2臺主變，并擬擴建3號主變，受場地空間所限，在其中性點裝設(shè)小電抗器涉及問題較多。而夢山變現(xiàn)有1臺主變，2號主變擴建工程正在進行中，變電站預(yù)留了每臺主變裝設(shè)小電抗器場地，具備良好實施條件。因此，報告選擇在夢山變主變中性點裝設(shè)小電抗器，并以此作為試點，根據(jù)電網(wǎng)實際運行情況再總結(jié)推廣。

2.2 短路電流計算分析計算分析

綜合考慮計算水平年、計算網(wǎng)架和電源安排、主變接地、合環(huán)及解環(huán)運行方式、夢山主變接地方式、夢山變主變規(guī)模等條件，運用EMTP（ATP版）計算得出夢山主變中性點經(jīng)不同小電抗阻值接地對其短路電流水平的限制效果，有資料表明[3-4]，在中性點電抗值大于30%~40%的UKH-M后，隨著中性點電抗值的增加，220 kV母線單相接地短路和兩箱接地故障短路電流僅降低1%~2%，短路電流的降低已經(jīng)呈現(xiàn)飽和，選用大電抗已經(jīng)體現(xiàn)不出經(jīng)濟效益，所以取變壓器高中繞組零序電抗值的1/3約為12Ω進行分析計算[5，6]，計算結(jié)果如表1所示。

夢山主變中性點加小電抗接地可有效降低夢山變220 kV母線單相短路及兩相接地短路電流，其中對限制單相短路電流的效果更為明顯。如2020年解環(huán)方式下夢山變3臺主變各接1組12Ω小電抗，其220 kV母線單相短路、兩相接地短路電流分別下降21.34%、11.16%，由于其未改變網(wǎng)絡(luò)正序阻抗，所以220 kV母線三相短路電流及500 kV母線短路電流均未發(fā)生變化。

夢山變每臺主變中性點各接1組小電抗時，抑制其220 kV母線單相及兩相接地短路電流效果最佳。如2020年解環(huán)方式下夢山變1臺、2臺、3臺主變各接1組12Ω小電抗時，與主變直接接地相比，夢山變220 kV側(cè)單相短路電流降幅分別為5.38%、9.61%、21.34%，其220 kV側(cè)兩相接地短路電流降幅分別為3.58%、6.81%、11.16%。

由短路故障電流計算結(jié)果表可知道，加裝小電抗后，220 kV母線側(cè)短路短路電流可以控制在50 kA以下；到2015年和2020年，220 kV母線側(cè)短路短路電流在解環(huán)運行下，可以控制在50 kA以下，滿足斷路器遮斷容量的要求。

表1 夢山變接小電抗220 kV母線側(cè)短路故障電流計算結(jié)果表kA

表2 夢山變接小電抗500 kV母線側(cè)短路故障電流計算結(jié)果表kA

2.3 過電壓計算

2.3.1 工頻過電壓計算

根據(jù)中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T620-1997規(guī)定：500kV主變?nèi)糁苯咏拥?，其中性點短時工頻耐受電壓（有效值）約85 kV；500 kV主變?nèi)艚?jīng)小電抗接地，其中性點短時工頻耐受電壓（有效值）約140 kV.

2015年運行方式下對夢山變壓器中性點裝12Ω電抗器進行工頻過電壓計算.線路正常運行，小電抗在不對稱接地故障下開路時，變壓器中性點最大工頻過電壓為78.58 kV，略大于中性點避雷器的額定電壓72 kV；當(dāng)220 kV母線有3回線路退出運行，小電抗在不對稱接地故障下開路時，變壓器中性點最大工頻過電壓為88.62 kV；當(dāng)220 kV母線分段運行，小電抗在不對稱接地故障下開路時，變壓器中性點最大工頻過電壓為90.10 kV。因此避雷器均會連續(xù)動作，由于不對稱接地故障持續(xù)時間一般最長不超過0.1 s，而中性點避雷器在吸收額定操作波能量后可耐受1.25倍其額定電壓的工頻過電壓的持續(xù)時間大于0.2 s，且發(fā)生3回線路退出與接地故障和小電抗開路故障共同發(fā)生的概率可忽略不計，因此避雷器是安全的。變壓器中性點最大工頻過電壓及其持續(xù)時間小于其耐受電壓140 kV（1 min），變壓器高壓端工頻過電壓小于1.3p.u，因此變壓器是安全的。

2.3.2 操作過電壓計算

2015年運行方式下，220 kV線路發(fā)生單相接地時，小電抗上最大操作過電壓為145.56 kV，轉(zhuǎn)換成中性點要求的雷電沖擊耐受電壓為168 kV，低于雷電全波耐受電壓為325 kV，不會對變壓器中性點絕緣產(chǎn)生威脅。變壓器高中壓端的操作過電壓很低不會運行變壓器安全運行。

3 設(shè)備參數(shù)的選擇

3.1 電抗器

綜合考慮電抗器對短路電流的限制效果、電抗器技術(shù)水平和中性點絕緣水平因素，選擇阻值為12Ω電抗器。其他參數(shù)如下：系統(tǒng)額定電壓：66 kV；設(shè)備連續(xù)最高工作電壓：72 kV；額定容量：1 080 kvar；額定電流：300 A；額定截波沖擊耐受電壓（峰值）：360 kV；額定交流耐壓（有效值）140 kV[8]。

3.2 電氣一次接線圖

一次接線見圖1所示，運行時隔離開關(guān)合上，檢修維護小電抗時拉開。

圖1 電氣一次接線圖

3.3 小電抗避雷器

線路正常運行時，小電抗上最大工頻過電壓為37.10 kV。三種特殊運行工況：1）單臺主變帶單條220 kV線路運行；2）部分220 kV線路停運；3）220 kV母線分段運行，小電抗的最高工頻過電壓為69.27 kV。變壓器中性點避雷器的額定電壓宜大于最大的工頻過電壓，因此選擇額定電壓72 kV、標(biāo)稱放電電流1.5 kA、持續(xù)運行電壓為58 kV、殘壓為186 kV的電站型避雷器[9]。

3.4 小電抗避雷器的并聯(lián)保護間隙

我國220 kV系統(tǒng)采用中性點有效接地方式。為了限制單相短路電流以及減少對通訊線路的干擾，系統(tǒng)中有部分220 kV變壓器采用不接地方式運行，然而不接地的變壓器中性點過電壓保護問題較為突出。當(dāng)系統(tǒng)中因接地故障偶然形成局部不接地系統(tǒng)；線路非對稱開斷、合閘、單相重合閘等操作；非對稱接地和接地甩負(fù)荷等故障，在不接地的變壓器中性點會出現(xiàn)高幅值的工頻和操作過電壓。

為防止小電抗故障形成主變中性點不接地，在小電抗避雷器旁安裝并聯(lián)的棒-棒保護間隙。其工頻擊穿電壓比避雷器額定電壓低10%，選為65 kV。

3.5 隔離開關(guān)

為了方便電抗器檢修，在其前面裝設(shè)了一臺隔離開關(guān)。主要電氣參數(shù)為：額定電壓72.5 kV；額定電流1 250 A[10]。

4 結(jié)束語

500 kV夢山變中性點經(jīng)過小電抗接地有效降低單相短路電流，解決220 kV母線單相短路電流超過三相短路電流水平問題。

500 kV夢山變兩臺主變中性點小電抗已經(jīng)于2011年12月正式投入運行，目前設(shè)備運行狀況良好，對控制夢山變220 kV系統(tǒng)短路電流起到了明顯的作用，為設(shè)備的安全穩(wěn)定運行提供了可靠保障。

[1]程云志，葉幼君500 kV自耦變壓器中性點裝設(shè)小電抗的應(yīng)用研究[J].華東電力，2006，34（11）.

[2]舒廉甫.500 kV變壓器中性點接地方式成果應(yīng)用推廣.高電壓技術(shù)[J]，1993，19（4）.

[3]朱天游.三峽電站500 kV主變壓器中性點接地方式優(yōu)化選擇.電網(wǎng)技術(shù)[J]，1997，21（5）.

[4]解廣潤.電力系統(tǒng)過電壓[M].北京：中國水利電力出版社，1985.

[5]DL/T 620-1997,交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合[S],1997.

[6]朱天游.500 kV自耦變壓器中性點經(jīng)小電抗接地方式在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，1999，23（4）.

[7]GB11032-2010,交流無間隙金屬氧化物避雷器[S],2010.

[8]國家電網(wǎng)公司,10-66 kV干式電抗器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S],2005.

[9]國家電網(wǎng)公司,交流高壓隔離開關(guān)和接地開關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S],2005.