高壓限流電抗器在電網(wǎng)中的應(yīng)用研究

【摘要】在分層分區(qū)運(yùn)行電網(wǎng)中，為限制不同電壓等級(jí)的短路電流，可將高壓限流電抗器安裝在電網(wǎng)中不同位置來(lái)限制短路電流，以便達(dá)到最佳的效果。為限制220kV電網(wǎng)短路電流，通過(guò)對(duì)高壓限流電抗器安裝在電網(wǎng)中不同的位置進(jìn)行了短路電流、潮流、片區(qū)供電能力等多方面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較研究，經(jīng)PSASP電力系統(tǒng)分析綜合程序計(jì)算分析后，得出了高壓限流電抗器安裝在500kV主變供電分區(qū)電網(wǎng)中的最佳位置。

【關(guān)鍵詞】高壓限流電抗器；電網(wǎng)；應(yīng)用研究

隨著江蘇電力負(fù)荷快速增長(zhǎng)，電網(wǎng)加強(qiáng)，500/220kV分區(qū)內(nèi)500kV變電站主變建設(shè)逐步達(dá)到其設(shè)計(jì)滿容量規(guī)模，加上有些地區(qū)電廠接入220kV電網(wǎng)的增加，短路電流水平的控制日趨緊迫。

500/220kV分區(qū)內(nèi)220kV短路電流水平的控制也成為提高分區(qū)內(nèi)電廠可接入的容量，從而提高分區(qū)供電能力，提高電網(wǎng)規(guī)模效益的關(guān)鍵制約因素，因此，在研究改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，實(shí)施高阻抗變壓器以及母線分段、分排等限制電網(wǎng)短路電流運(yùn)行方式的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究高壓限流電抗器對(duì)短路電流水平的限制作用，顯得十分必要。

1、高壓限流電抗器的種類、特性和應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1高壓限流電抗器的種類、特性

高壓限流電抗器一般是指220kV及以上輸電網(wǎng)電壓等級(jí)的限流電抗器。串聯(lián)限流電抗器就其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和磁路而言，有干式空芯電抗器、油浸鐵芯電抗器和干式鐵芯電抗器三種。空芯電抗器電抗值總是保持為常數(shù)；鐵芯式電抗器，鐵芯會(huì)飽和，而導(dǎo)致鐵芯電抗器的電抗值變小。限流電抗器在長(zhǎng)期額定電流和故障電流下要求安全可靠的運(yùn)行，要求其阻抗值或限制短路電流的能力不能變，因此，為限制系統(tǒng)故障短路電流的限流電抗器宜做成空芯產(chǎn)品而非鐵芯產(chǎn)品。

1.2高壓限流電抗器的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，高壓限流電抗器已較多應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外高壓電網(wǎng)中，下面介紹幾個(gè)高壓限流電抗器應(yīng)用實(shí)例：

1）上海泗涇站：2004年南橋和黃渡500kV母線短路電流超過(guò)開(kāi)關(guān)遮斷容量，為此，在500kV黃渡～泗涇雙回線路，泗涇站出口變電站內(nèi)安裝了2組500kV限流電抗器，額定阻抗14歐姆（相當(dāng)于50公里500kV的LGJ-4×400線路），對(duì)限制泗涇、黃渡500kV變電站500kV母線短路電流水平有控制作用。2）浙江瓶窯站：2009年12月24日在瓶窯—杭北單回線上安裝1臺(tái)8Ω、額定電流為2kA的故障電流限制器（簡(jiǎn)稱FCL），安裝位置在瓶窯變電站內(nèi)。該故障電流限制器可以在發(fā)生短路瞬間將電抗器快速投入，大幅度降低支路的短路電流，并能將短路點(diǎn)的總電流降到47kA以下。3）巴西Tucurui水電廠：巴西Tucurui水電廠規(guī)劃裝機(jī)容量8361MW，分二期建設(shè)：一期12×353MW；二期11×375MW。如果一、二期機(jī)組550kV母線直接相聯(lián)，短路電流將超過(guò)斷路器遮斷容量40kA，因此在一、二期機(jī)組串與串之間裝設(shè)串聯(lián)電抗器，既實(shí)現(xiàn)一、二期機(jī)組高壓母線的互聯(lián)，提高系統(tǒng)的可靠性，又將短路電流控制在40kA以下。該電抗器額定阻抗為20歐姆，額定電流2.6kA，額定容量為3×135MVA，已于2004年4月底完成交接。4）美國(guó)345kV電網(wǎng)：2001年，美國(guó)紐約電網(wǎng)的聯(lián)合愛(ài)迪生系統(tǒng)由于新機(jī)組的接入，345kV電網(wǎng)短路電流超過(guò)了現(xiàn)有斷路器遮斷容量，因此在四回345kV線路串接了四臺(tái)電抗器，以滿足斷路器遮斷容量要求。

2、限流電抗器應(yīng)用的必要性及其安裝地點(diǎn)、設(shè)備參數(shù)選擇

2.1限流電抗器應(yīng)用的必要性

江蘇500kV主網(wǎng)尤其是蘇南500kV電網(wǎng)由于和華東主網(wǎng)電氣聯(lián)系緊密，因此500kV短路水平較高，普遍在55～60kA左右，為此蘇南地區(qū)500/220kV變電所大量采用高-中阻抗18%～20%的高阻抗變壓器，十分有效地扼制500kV變電所220kV母線的短路電流水平。但隨著電網(wǎng)進(jìn)一步加強(qiáng)和供電分區(qū)內(nèi)電源接入量的進(jìn)一步增加，220kV電網(wǎng)短路電流水平將進(jìn)一步提高，這就需要在高阻抗變壓器應(yīng)用的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究采用新的方法來(lái)限制短路電流水平，前述的高壓限流電抗器是一種可考慮選擇的方案。

2.2限流電抗器的可選安裝地點(diǎn)

在分區(qū)電網(wǎng)中為限制220kV短路電流，高壓限流電抗器通常有如下5個(gè)安裝位置：①分區(qū)內(nèi)500kV站主變回路500kV側(cè)、②分區(qū)內(nèi)500kV站主變回路220kV側(cè)、③分區(qū)內(nèi)500kV站220kV母線分段開(kāi)關(guān)回路、④分區(qū)內(nèi)220kV主力電廠的送出線路、⑤分區(qū)內(nèi)220kV線路上。

2.3限流電抗器的參數(shù)選擇

通常決定限流電抗器容量（也決定其安裝尺寸和投資）的主要是額定電流和阻抗值。通過(guò)調(diào)研，考慮設(shè)備制造和工程實(shí)施可行性及對(duì)220kV電網(wǎng)潮流、電壓的影響，目前限流電抗器的阻值按不大于15Ω考慮為宜。

2.4分區(qū)電網(wǎng)的模式

提供分區(qū)220kV電網(wǎng)短路電流的電源主要是500kV系統(tǒng)和接入220kV電網(wǎng)的機(jī)組。

模式為單個(gè)500kV站3臺(tái)及以上500kV主變獨(dú)立成片，500kV主變并列運(yùn)行供電一片電網(wǎng)的模式，該模式220kV母線合環(huán)運(yùn)行，500kV站采用高阻抗主變（高-中阻抗20%）是江蘇蘇南目前和今后應(yīng)用較普遍的典型范例。

上述模型中500kV變電站500kV母線短路時(shí)500kV系統(tǒng)提供約60kA短路電流；接入220kV電網(wǎng)電源使用多個(gè)600MW機(jī)組等效，每個(gè)等效機(jī)組與500kV站220kV側(cè)的電氣距離相當(dāng)于20km LGJ-4×630線路，分區(qū)500kV變電站220kV母線短路時(shí)，機(jī)組提供的短路電流約為3.8kA/600MW。

需要指出的是，上述電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型和電源模型的電氣距離考慮了江蘇蘇南電網(wǎng)實(shí)際的輸電半徑和負(fù)荷密度。在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為稀疏的地區(qū)（例如蘇北），電氣距離應(yīng)相應(yīng)增大，單位容量機(jī)組提供的短路電流將適當(dāng)減小。

3、限流電抗器在分區(qū)電網(wǎng)的應(yīng)用研究

本報(bào)告以遠(yuǎn)景蘇南500/220kV分層分區(qū)電網(wǎng)比較典型的結(jié)構(gòu)模式為范例研究了遠(yuǎn)景蘇南地區(qū)500kV站逐步擴(kuò)建至規(guī)模容量其220kV短路電流難以控制時(shí)，采用高壓限流電抗器控制分區(qū)220kV電網(wǎng)短路電流水平，維持原有電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高分區(qū)供電能力的可行性。

按照規(guī)劃階段500kV站220kV母線短路電流控制在49kA以下的要求，該模式下分區(qū)220kV電網(wǎng)的供電能力詳見(jiàn)表3-1①。

可見(jiàn)，通過(guò)采用500kV高阻抗主變，分區(qū)供電能力可以得到大幅度提高。采用了高-中阻抗20%的500kV高阻抗主變后，分區(qū)供電能力較原使用高-中阻抗12%的低阻抗主變提高約2000MW，達(dá)4700～4800MW，該供電能力能夠滿足大多數(shù)220kV分區(qū)的供電需求，但對(duì)于負(fù)荷高度密集的蘇南地區(qū)，部分220kV分區(qū)遠(yuǎn)景負(fù)荷還有可能超出該供電能力，此時(shí)就需要考慮應(yīng)用高壓限流電抗器控制220kV短路電流，以便能夠接入更多的220kV電廠或配置更多的500kV變電容量。

以上述典型220kV分區(qū)為范例來(lái)研究220kV分區(qū)應(yīng)用限流電抗器提高分區(qū)供電能力的可行性：分區(qū)500kV站配置4×1000MW主變（高-中阻抗20%），接入220kV機(jī)組2×600MW。按高壓限流電抗器可選安裝的位置做了四個(gè)研究方案，在分區(qū)220kV短路電流可控、潮流和電壓滿足要求的前提下研究分區(qū)供電能力提高方案如下：

方案1：在上述設(shè)定的分區(qū)中再新增2×600MW千瓦機(jī)組或1臺(tái)1000MVA500kV主變，將分區(qū)供電能力提高1000MW左右，并在分區(qū)500kV站主變回路220kV側(cè)裝設(shè)3Ω限流電抗器（相當(dāng)于主變阻抗提高至約26%）。方案2：同方案一將分區(qū)供電能力提高1000MW左右，在分區(qū)500kV站主變回路500kV側(cè)裝設(shè)15Ω限流電抗器（相當(dāng)于主變阻抗提高至約26%）。方案3：同方案一將分區(qū)供電能力提高1000MW左右，在分區(qū)500kV站220kV分段開(kāi)關(guān)回路裝設(shè)10Ω限流電抗器。方案4：同方案一將分區(qū)供電能力提高1000MW左右，在分區(qū)220kV主力電廠的送出線路裝設(shè)15（30/90）Ω限流電抗器。

各方案下，分區(qū)500kV站220kV短路電流詳見(jiàn)表3-2。

根據(jù)短路電流計(jì)算的結(jié)果，在不同位置安裝限流電抗器的效果如下：若要在遠(yuǎn)景500kV短路電流水平接近63kA的情況下將分區(qū)供電能力提高1000MW左右（通過(guò)新增2臺(tái)600MW級(jí)機(jī)組或增加1臺(tái)1000MW主變實(shí)現(xiàn)），需要在每臺(tái)500kV主變的220kV側(cè)裝設(shè)3Ω限流電抗器，或在其500kV側(cè)裝設(shè)15Ω限流電抗器；若將限流電抗器裝設(shè)在220kV分段母線開(kāi)關(guān)回路，其阻抗值則需達(dá)到10Ω；若限流電抗器裝設(shè)在電廠送出線路上，其阻抗值即使達(dá)到15Ω，500kV站220kV短路電流無(wú)法控制在49kA以內(nèi)，若需要限制在49kA以內(nèi)，限流電抗器阻抗值需要達(dá)到30Ω（增加2臺(tái)600MW級(jí)機(jī)組時(shí)）或90Ω（增加1臺(tái)1000MVA主變時(shí)），但此時(shí)由于機(jī)組與系統(tǒng)電氣距離過(guò)大，導(dǎo)致其送出線路在發(fā)生N-1三相永久故障時(shí)失穩(wěn)。

此外，由于方案1、方案2在500kV主變回路裝設(shè)限流電抗器基本相當(dāng)于500kV主變高-中側(cè)阻抗提高6%，若該分區(qū)500kV主變阻抗提高至26%，也能達(dá)到同樣的短路電流控制效果。

考慮限流電抗器上可能通過(guò)的潮流，方案1～方案3②下限流電抗器的容量如表3-3所示。

可見(jiàn)，方案1、方案2需要裝設(shè)的限流電抗器容量相當(dāng)，且明顯小于方案3（限流電抗器的投資主要取決于容量）。

根據(jù)潮流計(jì)算分析，各方案下的分區(qū)供電能力詳見(jiàn)表3-4。

潮流計(jì)算的結(jié)果表明：

方案1、方案2中分區(qū)500kV站主變能夠并列運(yùn)行且降壓均衡，其最大供電能力較方案3高約250～300MW；限流電抗器裝設(shè)后220kV電壓跌落約2kV，220kV電網(wǎng)電壓水平仍在運(yùn)行允許范圍內(nèi)。

方案3中220kV分段開(kāi)關(guān)回路裝設(shè)限流電抗器后500kV主變降壓不均衡，其最大供電能力較方案1、2低250～300MW；限流電抗器裝設(shè)后220kV電壓未出現(xiàn)跌落。

可見(jiàn)，綜合考慮提高分區(qū)供電能力、對(duì)分區(qū)220kV電壓的影響及投資，方案1、方案2優(yōu)于方案3（方案4不可行）。方案1（限流電抗器裝設(shè)在500kV主變回路220kV側(cè)）與方案2（限流電抗器裝設(shè)在500kV主變回路500kV側(cè)）相比，盡管方案1與方案2所需的容量基本一致，但在投資上方案2中高壓限流電抗器安裝在500kV側(cè)時(shí)所需的絕緣水平較高，導(dǎo)致投資較高；此外，由于500kV站場(chǎng)地布置的原因?qū)⑾蘖麟娍蛊餮b設(shè)在主變500kV側(cè)工程實(shí)施的難度高于裝設(shè)在220kV側(cè)。因此可見(jiàn)，在500kV主變回路220kV側(cè)裝設(shè)限流電抗器的方案較優(yōu)。

另外，由于500kV變電所220kV分段開(kāi)關(guān)處裝設(shè)高壓限流電抗器由于電抗器阻值尺寸大，且分段母線兩側(cè)負(fù)荷平衡會(huì)影響到分段電抗器的阻值選擇，給限流電抗器的參數(shù)選擇帶來(lái)較大的復(fù)雜性和不確定性。因此，一般情況下不推薦采用分段電抗器的方式。

4、結(jié)論

本報(bào)告以遠(yuǎn)景蘇南電網(wǎng)220kV分區(qū)的典型結(jié)構(gòu)模式為范例研究了應(yīng)用高壓限流電抗器控制分區(qū)220kV短路電流水平，提高分區(qū)供電能力的可行性。

潮流、短路計(jì)算的結(jié)果表明，在500kV主變回路500kV側(cè)、500kV主變回路220kV側(cè)及220kV分段開(kāi)關(guān)回路上裝設(shè)高壓限流電抗器均能夠有效控制分區(qū)220kV短路電流，顯著提高分區(qū)供電能力，而在分區(qū)內(nèi)220kV主力電廠的送出線路裝設(shè)限流電抗器的效果則相對(duì)較差，且阻抗加到一定程度后還會(huì)引起電廠送出的穩(wěn)定問(wèn)題。在可行的3個(gè)方案當(dāng)中，綜合考慮提高分區(qū)供電能力、分區(qū)220kV短路電流控制效果、對(duì)分區(qū)220kV電網(wǎng)電壓的影響、實(shí)施可行性及投資等方面因素后，認(rèn)為在500kV主變回路220kV側(cè)裝設(shè)限流電抗器相對(duì)其他方案較優(yōu)?？紤]設(shè)備制造和工程實(shí)施可行性及對(duì)220kV電網(wǎng)潮流、電壓的影響，限流電抗器的阻值按不大于15Ω考慮可將分區(qū)供電能力提高800～1000MW。

此外，潮流計(jì)算的結(jié)果表明，由于在500kV主變回路220kV側(cè)裝設(shè)限流電抗器需要的阻抗值較低（3Ω左右），限流電抗器不會(huì)造成分區(qū)220kV電網(wǎng)電壓水平的過(guò)大跌落，但為保證電網(wǎng)在各種運(yùn)行方式下的電壓水平，需適度提高相應(yīng)分區(qū)220kV站的無(wú)功補(bǔ)償容量，使220kV母線功率因數(shù)達(dá)到0.98～0.99。

參考文獻(xiàn)

[1]DL_755-2001 電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則[S]

[2]GB/T 10229-1988《電 抗 器》[S]

[3]JB 5346-1998《串 聯(lián) 電 抗 器》[S]

[4]江蘇500千伏電網(wǎng)短路電流水平規(guī)劃控制專題研究[R].國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院

[6]江蘇省“十二五”電網(wǎng)規(guī)劃報(bào)告[R].江蘇省電力公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，2010.10

[7]蘇南短路電流研究[R].江蘇省電力公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，2010.5

①分區(qū)供電能力：接入分區(qū)的220kV電廠的最大供電出力（扣除8%廠用電）與500kV站的供電能力之和，其中500kV站供電能力按正常方式主變降壓不超過(guò)額定容量且主變N-1后主變降壓不超過(guò)1.3倍額定容量考慮，主變降壓功率因數(shù)按0.95考慮。

②由于方案4短路電流無(wú)法控制在49kA以內(nèi)，屬不可行方案，在方案比較時(shí)不再列入該方案。

③本文按500kV主變短路過(guò)負(fù)荷1.5倍、220kV分段穿越功率1500MVA、電源送出線路滿足N-1送出全部電力（功率因數(shù)0.9）的原則確定限流電抗器額定電流。