750 kV鳳凰片區(qū)短路電流分析及抑制措施

張增強，呂　盼，周　專，宋新甫

(國網(wǎng)新疆電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊　830016)

750 kV鳳凰片區(qū)短路電流分析及抑制措施

張增強，呂盼，周專，宋新甫

(國網(wǎng)新疆電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊830016)

摘要：由于大量大容量機組集中接入以及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的不斷加強，導致系統(tǒng)短路電流水平不斷上升，750 kV鳳凰片區(qū)短路電流已經(jīng)超出斷路器的遮斷電流(50 kA)，運行方式難以安排。隨著后續(xù)機組不斷接入，短路電流問題更加突出，短路電流超標已成為困擾電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵問題。因此以750 kV鳳凰片區(qū)短路電流現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，結(jié)合規(guī)劃網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，分階段對鳳凰片區(qū)短路電流水平進行計算，分析各工程對鳳凰片區(qū)短路電流的影響大小。同時分別從調(diào)整運行方式、加裝中性點小電抗、改變中性點接地方式等幾方面對限制鳳凰片區(qū)短路電流進行計算分析，并得出相應(yīng)的結(jié)論，為鳳凰片區(qū)運行方式安排以及后續(xù)的電網(wǎng)規(guī)劃和電網(wǎng)建設(shè)項目可行性研究工作提供了重要的參考。

關(guān)鍵詞：鳳凰片區(qū)；運行方式；短路電流；中性點小電抗

0引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，大量大容量機組接入電網(wǎng)，導致系統(tǒng)短路電流水平不斷提升。短路電流水平超標問題，不但威脅系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行，而且直接影響電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性。解決短路電流問題有兩個方向，一是直接更換開關(guān)設(shè)備，二是采取限制短路電流的措施。更換開關(guān)設(shè)備適用于局部短路電流過大的情況，當整個系統(tǒng)短路電流水平提高時，更換開關(guān)設(shè)備的費用很大，這時應(yīng)考慮采取限制短路電流的措施，改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)就是其中行之有效的方法[1]。

750 kV鳳凰變電站是連接新疆西北部和烏昌------------------------

城網(wǎng)的樞紐變電站。鳳凰片區(qū)短路電流形勢較為嚴峻，根據(jù)《新疆電網(wǎng)2015年度運行方式》，全接線方式下750 kV鳳凰變電站220 kV側(cè)短路電流已經(jīng)超過50 kA(三相：52.39 kA，單相：56.65 kA)[2]。目前采取750/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)方式可以將短路電流降低至50 kA以下。但是根據(jù)電網(wǎng)規(guī)劃鳳凰片區(qū)還將接入大量電源，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不斷增強。鳳凰片區(qū)短路電流將嚴重超標，限制鳳凰片區(qū)運行方式安排，制約鳳凰地區(qū)機組接納以及電力送出能力，嚴重影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

因此以750 kV鳳凰片區(qū)短路電流現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，結(jié)合規(guī)劃網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，分階段對鳳凰片區(qū)短路電流水平進行計算，分析各工程對鳳凰片區(qū)短路電流的影響大小。同時分別從調(diào)整運行方式、加裝中性點小電抗、改變中性點接地方式等幾方面對限制鳳凰片區(qū)短路電流進行的計算分析，并得出相應(yīng)的結(jié)論。為鳳凰片區(qū)運行方式安排以及后續(xù)的電網(wǎng)規(guī)劃和電網(wǎng)建設(shè)項目可行性研究工作提供了重要的參考。

1鳳凰片區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及存在問題

1.1　網(wǎng)架結(jié)構(gòu)介紹

750 kV鳳凰變電站是連接新疆西北部和烏昌城網(wǎng)的樞紐變電站，主要負責新疆西北部地區(qū)、昌吉西部地區(qū)電力外送，同時是向昌吉西部大用戶以及天業(yè)電網(wǎng)供電。目前接入鳳凰片區(qū)機組容量約為17 270 MW，其中火電13 450 MW，占總?cè)萘康?7.8%。鳳凰片區(qū)機組分布如圖1所示。

圖1　鳳凰片區(qū)機組分布圖

從圖1可以看出，750 kV鳳凰變電站接帶大量機組，多為火電機組且電氣距離較短，同時750 kV鳳凰變電站處于電網(wǎng)核心位置。由于新疆電網(wǎng)電壓等級級差大，從220 kV直接升壓至750 kV，導致750 kV變電站220 kV側(cè)進出線較多，從而導致750 kV變電站220 kV側(cè)短路電流嚴重超標。

1.2　存在問題

目前750 kV鳳凰變電站220 kV側(cè)母線采用雙母雙分段形式，出線共有12回，220 kV母線間隔排列方式如圖2所示。

圖2　750 kV鳳凰變電站220 kV側(cè)母線排列位置圖

由圖2可以看出，鳳石東一線、220 kV鳳石西一線、220 kV鳳瑪一線接在Ⅰ母，同時1號主變壓器連接在Ⅰ母上，220 kV鳳石東二線、220 kV鳳石西二線、220 kV鳳瑪二線接在Ⅱ母，220 kV鳳陽一線、220 kV鳳嘉一線接在Ⅲ母，220 kV鳳陽二線、220 kV鳳嘉二線、2號主變壓器接在Ⅳ母。由于新疆西北部剩余電力全部通過鳳石東一、二線，鳳石西一、二線，鳳瑪一、二線送出，若將750 kV鳳凰變電站220 kV側(cè)母線分列運行，將導致750 kV鳳凰變電站的1號主變電站滿載，瑪電、瑪電三期以及西部電力送出受阻，而2號主變壓器處于輕載狀態(tài)。因此750 kV鳳凰變電站220 kV側(cè)母線間隔排列不利于750 kV鳳凰變電站220 kV側(cè)母線分列運行。

2限制短路電流水平的主要技術(shù)措施

隨著電網(wǎng)的發(fā)展，系統(tǒng)不斷增強，短路電流持續(xù)攀升成為威脅電網(wǎng)安全的突出矛盾。如何在控制電網(wǎng)短路電流的同時提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行水平，成為電網(wǎng)規(guī)劃與運行亟待解決的問題。限制電網(wǎng)短路電流水平的主要技術(shù)措施如下[3-6]：

1)合理規(guī)劃電源接入電壓等級、接入方式。電源接入不宜過度集中，接入點的選擇應(yīng)充分考慮對系統(tǒng)短路電流水平的影響，注意給電網(wǎng)短路電流水平留有一定的發(fā)展空間，發(fā)電廠宜以單元接線型式接入系統(tǒng)，大電廠間盡可能不要有直接的聯(lián)絡(luò)線，大電廠不宜串在環(huán)網(wǎng)中運行。網(wǎng)內(nèi)新建大容量電源應(yīng)盡可能采用高電壓等級接入。

2)合理規(guī)劃電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。對網(wǎng)架合理的分層、分區(qū)可以有效地控制短路電流。在更高電壓等級骨干網(wǎng)架形成后依托該電壓等級變電站采取低電壓等級電網(wǎng)分片區(qū)運行能有效抑制電網(wǎng)短路電流水平。

3)采用高阻抗變壓器。負荷中心地區(qū)網(wǎng)絡(luò)緊密，可適當提高電廠升壓變壓器的短路阻抗，從源頭上控制注入電網(wǎng)的短路電流。同時對于電源接入相對集中的變電站亦可考慮采用高阻抗變壓器抑制分支短路電流水平。

4)加裝限流電抗器。加裝限流電抗器對限制短路電流亦具有一定的效果，但限流電抗器的限流效果與電網(wǎng)運行方式密切相關(guān)。限流電抗器通常加裝在線路潮流較輕而對系統(tǒng)短路電流影響較大的線路中，可有效地減少局部區(qū)域系統(tǒng)短路電流[7-8]。

5)加裝變壓器中性點小電抗。在變壓器中性點加裝小電抗便利，投資較小，該阻抗值在零序網(wǎng)絡(luò)中將放大3倍，因此在單相短路電流過大而三相短路相對較小的場合很有效。

6)采取電網(wǎng)運行方式調(diào)整。主要包括母線、變壓器分列運行、線路開斷等。采取該措施時需結(jié)合電網(wǎng)供電可靠性、供電能力等方面綜合考慮，防止電網(wǎng)可靠性、供電能力等出現(xiàn)明顯下降。

3鳳凰片區(qū)短路電流水平分析

3.1　現(xiàn)狀短路電流水平分析

根據(jù)當前鳳凰片區(qū)機組投運情況和電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，對鳳凰片區(qū)進行短路電流計算。在全接線方式下750 kV鳳凰變電站220 kV側(cè)三相短路電流為52.39 kA，單相短路電流為56.65 kA。

通過調(diào)整鳳凰片區(qū)運行方式，將750/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)(鳳-烏、鳳達)解環(huán)運行。正常運行方式安排如圖3所示。

圖3　鳳凰片區(qū)運行方式

從圖3可以看出，為了限制750 kV鳳凰變電站220 kV側(cè)短路電流水平，采取運行方式調(diào)整，將220 kV瑪電母聯(lián)分列(Ⅰ母帶瑪石東線、瑪石西線，Ⅱ母帶瑪三聯(lián)絡(luò)線、瑪樂三回線)、220 kV瑪電三期母聯(lián)分列、220 kV瑪三聯(lián)絡(luò)線斷開?；诋斍熬W(wǎng)架結(jié)構(gòu)，采取上述運行方式可以將750 kV鳳凰變電站短路電流降低至額定遮斷電流以下(三相短路電流為44.7 kA，單相短路電流為39.65 kA)。隨著昌吉中西部火電機組的大量并網(wǎng)，采取上述運行方式可能導致昌吉中西部電力送出受阻。

3.2　各項工程對短路電流貢獻分析

根據(jù)電網(wǎng)規(guī)劃，鳳凰片區(qū)還將繼續(xù)接入大量火電機組，如嘉潤一期二列(2×350 MW)、天偉電廠(2×330 MW)、寶塔石化電廠(2×350 MW)等一系列大容量機組。同時根據(jù)電網(wǎng)規(guī)劃，750 kV鳳凰變電站與各區(qū)域電網(wǎng)聯(lián)系更加緊密，如750 kV烏蘇開關(guān)站增容工程、750 kV亞中變電站輸變電工程等電網(wǎng)建設(shè)項目。隨著電網(wǎng)項目的不斷建設(shè)，750 kV鳳凰變電站與各地區(qū)電網(wǎng)聯(lián)系更加緊密，從而導致750 kV變電站220 kV側(cè)短路電流嚴重超標。根據(jù)規(guī)劃網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，分析各項工程項目對750 kV鳳凰變電站220 kV側(cè)短路電流貢獻大小。依據(jù)可研審查意見及投運時序，各項工程對750 kV鳳凰變電站220 kV側(cè)短路電流影響的計算結(jié)果如表1所示。

表1　各項工程短路電流計算結(jié)果/kA

從表1可以看出，天偉電廠(2×330 MW)接入電網(wǎng)，提高750 kV鳳凰變電站220 kV側(cè)母線三相、單相短路電流約5.47 kA、4.9 kA，屆時750 kV鳳凰變電站220 kV側(cè)母線單相短路電流已接近額定遮斷電流，嚴重影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。隨著鳳凰片區(qū)各項工程相繼投運，750 kV鳳凰變電站220 kV側(cè)母線短路電流不斷升高，尤其是單相短路電流嚴重超過750 kV鳳凰變電站220 kV側(cè)額定遮斷電流。為了保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，需要采取有效措施降低鳳凰片區(qū)短路電流。

4抑制鳳凰片區(qū)短路電流水平措施

通過上述各項工程對鳳凰片區(qū)短路電流影響分析，天偉電廠投運后，鳳凰片區(qū)短路電流已接近額定遮斷電流。因此在對抑制鳳凰片區(qū)短路電流水平措施分析時，以天偉電廠投運為基礎(chǔ)，結(jié)合鳳凰片區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，提出以下3種降低短路電流措施。

4.1　調(diào)整鳳凰片區(qū)運行方式

針對鳳凰片區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，研究該地區(qū)運行電網(wǎng)運行方式，通過調(diào)整運行方式以降低鳳凰片區(qū)短路電流。經(jīng)分析提出以下3種運行方式：

方式1：220 kV瑪電母聯(lián)分列(Ⅰ母帶瑪石東線、瑪石西線，Ⅱ母帶瑪三聯(lián)絡(luò)線、瑪樂三回線)、220 kV瑪電三期母聯(lián)分列、220 kV瑪樂三回線斷開。

方式2：220 kV瑪電母聯(lián)分列(Ⅰ母帶瑪石東線、瑪石西線，Ⅱ母帶瑪三聯(lián)絡(luò)線、瑪樂三回線)、220 kV瑪電三期母聯(lián)分列、220 kV瑪三聯(lián)絡(luò)線斷開。

方式3：220 kV瑪石東線、220 kV瑪石西線斷開，220 kV瑪電三期母聯(lián)分列，220 kV瑪三聯(lián)絡(luò)線斷開。

按照上述3種運行方式，鳳凰片區(qū)短路電流計算結(jié)果如表2所示。

表2　750 kV鳳凰變220 kV短路電流計算結(jié)果

從表2可以看出，通過調(diào)整運行方式可以降低750 kV鳳凰變電站220 kV側(cè)母線短路電流，其中方式3短路電流降低最多。以方式3運行可以滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，但是導致瑪電及其昌吉中西部電流送出受阻，出現(xiàn)嚴重窩電現(xiàn)象，同時隨著后續(xù)各項工程的相繼投運，僅采取調(diào)整運行方式無法滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

4.2　調(diào)整220 kV變電站中心性點接地方式

由于750 kV鳳凰變電站220 kV側(cè)母線單相短路電流大于三相短路電流，正常情況下，單相短路電流首先出現(xiàn)超標。調(diào)整變電站中性點接地方式可以改變電網(wǎng)零序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而降低單相短路電流。因此，通過調(diào)整750 kV鳳凰變電站附近220 kV變電站中性點接地方式可以降低750 kV鳳凰變電站220 kV側(cè)單相短路電流。

結(jié)合鳳凰片區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，調(diào)整鳳凰片區(qū)220 kV變電站中性點接地方式，取消瑪電6號機升壓變壓器接地、瑪電3號機升壓變壓器接地、瑪電三期高備接地、嘉潤一期主變壓器接地、昭陽1號變壓器接地、天偉電廠1號機升壓變壓器接地、天辰電廠7號機升壓變壓器接地。鳳凰片區(qū)短路電流計算結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，通過調(diào)整750 kV鳳凰變電站附近220 kV變電站中性點接地方式，可以降低750 kV鳳凰變電站220 kV側(cè)單相短路電流，但是降低效果不明顯，調(diào)整后750 kV鳳凰變電站220 kV側(cè)短路電流仍接近額定遮斷電流，無法滿足后續(xù)各項工程的相繼投運，同時調(diào)整變電站中性點接地方式，對電網(wǎng)中繼電保護影響較大，需要重新整定、更改保護定值。

表3　750 kV鳳凰變電站220 kV短路電流計算結(jié)果

4.3　750 kV鳳凰變電站主變壓器中性點加裝小電抗

由于750 kV變壓器采用的是自耦變壓器，正常運行情況下，變壓器中性點必須接地，從而導致750 kV變電站220 kV側(cè)單相短路電流大于三相短路電流。根據(jù)單相短路電流計算原理，為了減小單相短路電流，可以改變零序網(wǎng)絡(luò)，適當增大零序網(wǎng)絡(luò)阻抗值。在750 kV變電站主變壓器中性點加裝小電抗，可以將增大系統(tǒng)的零序阻抗值，降低單相短路電流。

假設(shè)在750 kV鳳凰變電站兩臺主變壓器中性點分別加裝12 Ω小電抗，計算結(jié)果如表4所示。

表4　750 kV鳳凰變電站220 kV短路電流計算結(jié)果

從表4可以看出，在750 kV鳳凰變電站兩臺主變壓器中性點加裝12 Ω小電抗之后，可以降低750 kV鳳凰變電站220 kV側(cè)單相短路電流12.02 kA，可以有效地降低750 kV鳳凰變電站220 kV單相短路電流。但是加裝中性點小電抗只能降低單相短路電流，不能降低三相短路電流。隨著后續(xù)鳳凰片區(qū)各項工程的相繼投運，僅依靠加裝中性點小電抗不能滿足要求，需采取幾種措施聯(lián)合降低短路電流。

5結(jié)論

通過對鳳凰片區(qū)現(xiàn)狀短路電流水平分析，得出750 kV鳳凰變電站220 kV側(cè)短路電流已接近額定遮斷電流，制約電網(wǎng)運行方式安排，影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。根據(jù)電網(wǎng)規(guī)劃，鳳凰片區(qū)各項電網(wǎng)工程對750 kV鳳凰變電站220 kV側(cè)短路電流均有一定的貢獻，短路電流超標嚴重影響鳳凰片區(qū)安全穩(wěn)定運行。針對鳳凰片區(qū)短路電流水平超標問題，結(jié)合該地區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)特點，提出了3種抑制短路電流的措施，3種措施均能降低750 kV鳳凰變電站220 kV側(cè)短路電流水平。但隨著各項電網(wǎng)項目的相繼投運，僅靠單一的措施無法滿足電網(wǎng)發(fā)展需要，需要多種措施并舉才能降低750 kV鳳凰變電站220 kV側(cè)短路電流，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，同時在后續(xù)電網(wǎng)規(guī)劃中應(yīng)重點關(guān)注鳳凰片區(qū)短路電流問題，合理規(guī)劃、合理分配750 kV鳳凰變電站接帶電源容量，形成750/220 kV分片區(qū)運行。

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中圖分類號：TM713

文獻標志碼：A

文章編號：1003-6954(2015)04-0020-04

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51267017)

作者簡介：

張增強(1982)，碩士，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃與分析；

呂盼(1984)，碩士，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃與分析；

周專(1987)，碩士，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃、穩(wěn)定與控制。

(收稿日期：2015-05-11)

Abstract：Due to the integration of a large number of large-capacity units and the continuous strengthening of grid structure which causes the continuous rising of short-circuit current, the short-circuit current in 750 kV Fenghuang area has exceeded the breaking current of relay (50 kA), so the operating mode is difficult to arrange. With the integration of the following units, short-circuit current problem becomes more prominent, and the excessive short-circuit current has become a key problem influencing the safe and stable operation of power grid. So based on the actual situation of short-circuit current in 750 kV Fenghuang area and combined with the grid structure planning, the level of short-circuit current in Fenghuang area is calculated in stages, and the effects of each project on the short-circuit current in Fenghuang area are analyzed. At the same time, as viewed from adjusting operating mode, installing small reactor on neutral point and changing neutral grounding mode, the restrictions on short-circuit current in Fenghuang area are analyzed and calculated, and the corresponding conclusions are obtained, which provides an important reference for the arrangement of operating modes and the following feasibility research of grid plan and grid construction in Fenghuang area.

Key words：Fenghuang area; operating mode; short-circuit current; neutral small reactance