500 kV變電站220 kV側(cè)母線短路過(guò)電流防范措施分析

于贊梅，孫凱航，劉 森

(1. 國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司石家莊供電分公司，石家莊 050051；2.河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050031)

500 kV變電站220 kV側(cè)母線短路過(guò)電流防范措施分析

于贊梅1，孫凱航2，劉 森2

(1. 國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司石家莊供電分公司，石家莊 050051；2.河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050031)

針對(duì)國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司500 kV變電站220 kV側(cè)母線單相短路電流超標(biāo)問(wèn)題，進(jìn)行了原因分析，提出了串接小電抗限流的防范措施，并分析網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對(duì)小電抗限流作用的影響，說(shuō)明了該措施的應(yīng)用效果，給出了小電抗阻值的選取和變壓器中性點(diǎn)絕緣配合的工程指導(dǎo)意見(jiàn)。

自耦變壓器；中性點(diǎn)接地小電抗；單相短路電流；絕緣配合

1 概述

近年來(lái)，河北省南部電網(wǎng)規(guī)模逐步擴(kuò)大，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)聯(lián)系越發(fā)緊密，電源容量迅速增長(zhǎng)，短路電流水平增長(zhǎng)迅速，而且由于500 kV自耦變壓器中性點(diǎn)直接接地，使得部分變電站短路電流已經(jīng)接近了現(xiàn)有設(shè)備的額定遮斷容量。短路電流超標(biāo)制約了網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、電源和變電站接入、設(shè)備選型等，不利于變電站規(guī)劃設(shè)計(jì)。以國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司500 kV變電站網(wǎng)架為例，分析如何限制500 kV變電站220 kV側(cè)母線的短路電流。結(jié)合仿真計(jì)算數(shù)據(jù)，分析了500 kV自耦變壓器加裝中性點(diǎn)小電抗對(duì)短路電流的限制效果，并且分析了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對(duì)中性點(diǎn)接地小電抗限制單相短路電流效果的影響，最后提出了小電抗參數(shù)選取的參考意見(jiàn)。

2 220 kV側(cè)母線短路電流激增原因分析

截止2015年底國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司共有500 kV變電站16座，其中廣元、慈云、黃驊等站的220 kV側(cè)短路電流已經(jīng)超過(guò)了49 kA，存在超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。短路電流激增的主要原因可歸結(jié)為以下幾個(gè)方面。

a. 電源大規(guī)模接入。國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司的500 kV變電站集中布置在保定-石家莊-邢臺(tái)-邯鄲電力通道上，電網(wǎng)的綜合等值阻抗降低，造成沿線的廉州、保北、石北等變電站短路電流偏高[1]。

b. 國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司的500 kV變壓器均為自耦變壓器，高中阻抗較小，且選擇中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行方式，接地點(diǎn)的增多使本站和附近站的零序等值電抗下降，造成了系統(tǒng)單相短路電流偏高。

c. 國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司部分500 kV變電站的220 kV側(cè)同時(shí)接入有大電源，也造成了部分220 kV側(cè)電網(wǎng)短路電流快速上升[1]。

3 串接小電抗限流措施及原理

3.1 原理分析

自耦變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地的原理如圖1所示，圖2為中性點(diǎn)經(jīng)電抗接地的自耦變壓器零序等值電路。

圖1 自耦變中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地原理

圖2 自耦變中性點(diǎn)小電抗接地零序等值電路

設(shè)自耦變壓器的III側(cè)繞組開(kāi)路，I、II次端點(diǎn)與中性之間的電位差有名值為UIn、UIIn，中性點(diǎn)電位為Un。當(dāng)中性點(diǎn)直接接地時(shí)Un=0，折算到一次側(cè)的一次和二次繞組端點(diǎn)間的電位差為UIn-UIIn×(UIn/UIIn)。因此，折算到高壓側(cè)的等值零序網(wǎng)絡(luò)電抗值為下式[2-4]：

(1)

當(dāng)中性點(diǎn)經(jīng)電抗接地時(shí)，則折算到高壓側(cè)的等值零序電抗X′(I-II)公式(2)所示。

(2)

同理依次將中、高壓側(cè)繞組斷開(kāi)，可得到折算后高低壓側(cè)和中低壓側(cè)之間的零序電抗值。按照求三繞組變壓器各等值電抗的計(jì)算公式，可以求得星形零序等值電路中折算到高壓側(cè)的各電抗為

式中：U1N和U2N分別為變壓器高、中壓側(cè)的額定電壓值。

當(dāng)Xn=0時(shí)，即變壓器中性點(diǎn)直接接地時(shí)，自耦變壓器由于自身結(jié)構(gòu)問(wèn)題，其中壓側(cè)零序阻抗通常很小或接近于0，從而中壓側(cè)母線的單相短路電流值偏大。當(dāng)中性點(diǎn)經(jīng)小電抗Xn接地后，此時(shí)中壓側(cè)零序電抗增加顯著，可以起到減小短路電流的效果。而高壓側(cè)等值零序阻抗會(huì)有所下降，導(dǎo)致高壓側(cè)由中性點(diǎn)提供的短路電流有所增加。

3.2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對(duì)小電抗限流的影響

按照國(guó)家電網(wǎng)公司通用設(shè)計(jì)斷路器遮斷容量標(biāo)準(zhǔn)，220 kV側(cè)母線短路電流水平最大為50 kA。但將單相短路電流按照序分量算法進(jìn)行分解，則需把零序短路電流限制到16.7 kA以下。通過(guò)中性點(diǎn)串接小電抗方式使220 kV側(cè)零序短路電流下降到16.7 kA，此時(shí)故障點(diǎn)零序等值阻抗兩端的電壓降為83 kV左右。如果網(wǎng)架中220 kV母線支路側(cè)零序等值阻抗Xbra較小，將無(wú)法通過(guò)串接小電抗把零序短路電流降低到16.7 kA。文獻(xiàn)[5]表明，當(dāng)母線支路側(cè)零序等值阻抗Xbra小于7 Ω時(shí)，則無(wú)法通過(guò)中性點(diǎn)串接小電抗把零序短路電流降低到16.7 kA，也無(wú)法把200 kV側(cè)單相短路電流降低到斷路器開(kāi)斷電流以下。因此，需要改變系統(tǒng)運(yùn)行網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，增大220 kV母線支路側(cè)零序等值阻抗Xbra。

4 串接小電抗限流應(yīng)用效果分析

4.1 仿真分析

短路計(jì)算采用了電力系統(tǒng)BPA仿真平臺(tái)，內(nèi)部構(gòu)建了河北省南部電網(wǎng)所有系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司2014年數(shù)據(jù)計(jì)算的短路電流，國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司部分500 kV變電站的220 kV側(cè)母線單相短路電流超過(guò)了其三相短路電流，表1列出了河北省電力有限公司具有代表性的變電站的短路電流水平。

對(duì)上述500 kV變電站內(nèi)變壓器中性點(diǎn)串接小電抗進(jìn)行短路計(jì)算仿真。圖3仿真計(jì)算結(jié)果表明，中性點(diǎn)小電抗按5 Ω級(jí)差增大至15 Ω時(shí)，上述變電站的500 kV母線單相短路電流均出現(xiàn)了下降，下降值小于0.09 kA，說(shuō)明在500 kV變壓器中串接小電抗對(duì)500 kV母線的單相短路電流限制效果不大。因?yàn)檎緝?nèi)500 kV母線的短路電流主要來(lái)源500 kV電網(wǎng)，220 kV電網(wǎng)對(duì)其短路電流影響較?。黄浯胃邏簜?cè)等值零序等值阻抗減小造成的500 kV側(cè)零序電流增長(zhǎng)，與220 kV側(cè)零序電流減小部分抵消。因而500 kV側(cè)單相短路電流值變化很小。

表1 500 kV變電站短路電流計(jì)算結(jié)果 kA

變電站500kV母線220kV母線三相單相三相單相慈云50.0945.6735.3542.17彭村50.5044.4333.5136.92黃驊48.0147.5640.8242.49滄西53.6451.8646.2249.69

圖3 500 kV單相短路電流變化曲線

圖4是慈云、彭村、黃驊、滄西4站主變壓器中性點(diǎn)按5Ω級(jí)差串接小電抗后BPA仿真短路電流計(jì)算曲線。當(dāng)在各變電站所有主變壓器中性點(diǎn)串接5 Ω小電抗時(shí)，慈云、彭村、黃驊、滄西4站的220 kV側(cè)單相計(jì)算短路電流下降至35.70 kA、31.54 kA、38.32 kA、41.30 kA，分別減少了6.47 kA、5.38 kA、4.17 kA、8.39 kA，此時(shí)除慈云站單相短路流值稍大于三相短路電流值外，其余3個(gè)站已低于其三相短路電流值。當(dāng)小電抗增大至15 Ω時(shí)，4個(gè)站的220 kV單相短路電流分別下降了10.88 kA、11.30 kA、6.51 kA、8.90 kA，下降率分別為25.80%、30.61%、15.32%、17.91%。由此可見(jiàn)，500 kV自耦變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地是限制220 kV單相短路電流比較有效的措施。

圖4 220 kV單相短路電流變化曲線

通過(guò)仿真計(jì)算，發(fā)現(xiàn)隨著主變壓器中性點(diǎn)串接小電抗值增大，220 kV側(cè)單相短路電流值最大下降率為30.71%，短路電流值下降已不明顯，小電抗的作用趨于飽和，因此500 kV主變壓器中性點(diǎn)串接小電抗的阻抗值宜為5～15 Ω之間。

4.2 對(duì)變壓器中性點(diǎn)絕緣配合的影響分析

在500 kV變電站設(shè)計(jì)中，雖然變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地可以降低220 kV側(cè)單相短路電流，但是變壓器的中性點(diǎn)電壓將會(huì)發(fā)生一定偏移。因?yàn)?00 kV自耦變壓器的高壓側(cè)和中壓側(cè)線圈公用一個(gè)中性點(diǎn)和接地阻抗，因此中性點(diǎn)的入地電流等于高壓和中壓繞組零序電流之差的三倍。當(dāng)自耦變壓器的中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地時(shí)，中性點(diǎn)的電位要受兩個(gè)繞組的零序電流的影響，中性點(diǎn)電位值為 。經(jīng)計(jì)算，上述串接阻抗為15Ω時(shí)，220 kV側(cè)發(fā)生單相短路時(shí)中性點(diǎn)電壓偏移為41.45 kV、58.84 kV、33.28 kV、31.78 kV。

按照GB/T 50064-2014《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定[6]：500 kV主變壓器中性點(diǎn)直接接地，雷電全波和截波為185 kV，1 min短時(shí)工頻電壓為85 kV；500 kV主變壓器中性點(diǎn)經(jīng)接地電抗器接地，雷電全波和截波為325 kV，1 min短時(shí)工頻電壓為140 kV。在海拔高度不超過(guò)1 000 m時(shí)，35 kV等級(jí)1 min工頻耐受電壓為80/85，66 kV等級(jí)1 min工頻耐受電壓為150 kV。因此500 kV自耦變壓器采用分級(jí)絕緣時(shí)，若主變壓器中性點(diǎn)直接接地，中性點(diǎn)絕緣水平為35 kV；若主變壓器經(jīng)阻抗接地，中性點(diǎn)絕緣水平為66 kV。為防止發(fā)生雷擊時(shí)變壓器中性點(diǎn)過(guò)電壓，并可在中性點(diǎn)裝設(shè)避雷器，使保護(hù)設(shè)備正確識(shí)別和可靠動(dòng)作。

5 結(jié)論

a. 500 kV自耦變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地，對(duì)500 kV母線側(cè)單相短路電流限制作用有限。

b. 500 kV自耦變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地，可以有效限制220 kV側(cè)母線單相短路電流值。但隨著小電抗值的增大，對(duì)單相短路電流限制效果趨于飽和。因此，建議選擇中性點(diǎn)小電抗阻值為5～15 Ω。

c. 當(dāng)220 kV側(cè)母線零序阻抗大于7 Ω時(shí)，可以通過(guò)增加小電抗方式限制220 kV短路電流為50 kA以下。220 kV側(cè)母線零序阻抗小于7 Ω時(shí)，無(wú)法通過(guò)增加小電抗的阻值達(dá)到限制短路電流的效果。需要采取其它限流措施降低短路電流水平。

d. 自耦變壓器串接小電抗接地后，需要核算主變壓器中性點(diǎn)的短路耐受電壓。

[1] 李曉明，趙琛瓏，段曉波，等．河北省南部電網(wǎng)短路電流分析及限制措施[J]．河北電力技術(shù)，2010，29(1)：36-38．

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[6] GB/T 50064-2014，交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

s:By analyzing the causes of overcurrent in Hebei Power Corporation，series neutral reactor is proposed to reduce the 500kV substation's 220kV bus circuit. And this article has a discussion for the influence of grid structure on series neutral reactor，the simulation calculation verifies the positivity effect. In the end，this paper gives the advice for the selection of the series neutral reactor values and transformer neutral insulation coordination.

autotransformer;neutral grounding reactor;single-phase short-circuit current;insulation coordination

2017-08-03

于贊梅(1980-)，女，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)調(diào)控運(yùn)行、繼電保護(hù)工作。

TM411.3

B

1001-9898(2017)06-0035-04

Analysis of Precautionary Measures for Reducing 500 kV Substation 220 kV Bus Circuit

Yu Zanmei1，Sun Kaihang2，Liu Sen2

(1.State Grid Hebei Electric Power Company Co.Ltd. Shijiazhuang Power Supply Branch,Shijiazhuang 050051,China;2.Hebei Electric Power Design & Research Institute,Shijiazhuang 050031,China)

本文責(zé)任編輯：靳書(shū)海