采用串聯(lián)電抗器限制青海西寧地區(qū)電網(wǎng)短路電流研究

傅 旭,李富春，張鵬宇，張更賀，張祥成

(1.西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710075；2.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130000；3.國(guó)網(wǎng)青海省電力公司檢修公司，青海 西寧 810003；4.國(guó)網(wǎng)青海省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，青海 西寧 810008)

0 引言

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)規(guī)模和短路電流的矛盾日益突出[1-5]，限制短路電流已經(jīng)成為電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行的一個(gè)重要研究課題[6-10]。

文獻(xiàn)[11]提出大機(jī)組降壓運(yùn)行短路電流變化分析方法及計(jì)算模型。文獻(xiàn)[12]建立了特高壓受端電網(wǎng)的綜合限流優(yōu)化模型，以單相短路電流和三相短路電流同時(shí)滿足要求為主要約束條件。文獻(xiàn)[13]將220 kV電網(wǎng)分區(qū)運(yùn)行作為限制短路電流的首選措施。文獻(xiàn)[14]應(yīng)用疊加定理計(jì)算含變流型電源電網(wǎng)短路電流,其結(jié)果可用于電網(wǎng)規(guī)劃及設(shè)備選型。 文獻(xiàn)[15]利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)短路時(shí)電壓電流的特性關(guān)系求解出風(fēng)電場(chǎng)的短路電流。文獻(xiàn)[16]利用端口阻抗矩陣和故障端口開(kāi)路電壓,經(jīng)過(guò)一次端口補(bǔ)償電流的計(jì)算,求得故障電流。

隨著青海特高壓直流外送通道及其配套750 kV工程的建成投運(yùn),青海省750 kV電網(wǎng)短路電流超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)激增,亟需研究限制短路電流的措施,提出切實(shí)可行的解決方案,為后續(xù)電網(wǎng)規(guī)劃及運(yùn)行提供指導(dǎo)。

本文分析青海西寧地區(qū)短路電流的發(fā)展趨勢(shì)和750 kV母線短路電流超標(biāo)的原因，研究青海西寧地區(qū)限制短路電流方案。通過(guò)將串聯(lián)電抗器模擬為追加一條阻抗支路，可利用基態(tài)的節(jié)點(diǎn)阻抗參數(shù)矩陣快速計(jì)算采取限流措施后的短路電流，以提高計(jì)算速度。研究結(jié)果表明，僅考慮750 kV線路加裝串抗不能解決西寧750 kV母線短路電流的超標(biāo)問(wèn)題。通過(guò)運(yùn)行時(shí)西寧—日月山雙回750 kV線路轉(zhuǎn)為熱備用，西寧—郭隆雙回750 kV線路加裝20 Ω串抗，可不需升級(jí)改造750 kV開(kāi)關(guān)。

1 西寧地區(qū)750 kV母線短路電流

2025年青海西寧及其鄰近地區(qū)750 kV電網(wǎng)接線結(jié)構(gòu)如圖1所示，西寧和日月山750 kV母線的短路電流和其連接的各條支路提供的短路電流的計(jì)算結(jié)果如表1、2所示，可看出：

圖1 青海網(wǎng)架接線示意圖Fig.1 Qinghai power grid structure diagram

1) 2025年西寧750 kV母線的三相短路電流為62.43 kA，單相短路電流為59.70 kA，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了西寧變電站750 kV、50 kA斷路器的開(kāi)斷能力。從各支路故障電流計(jì)算結(jié)果來(lái)看，西寧變電站750 kV短路電流水平過(guò)高，主要是因?yàn)槲鲗幾冸娬咎幱陔娋W(wǎng)中心位置，750 kV出線回路數(shù)多，至日月山、合樂(lè)線路提供的短路電流較大，分別提供短路電流約占27%左右(雙回)和21%左右(雙回)。

2) 2025年日月山750 kV母線三相短路電流為57.05 kA，單相短路電流為54.61 kA，超過(guò)了日月山變電站750 kV、50 kA斷路器的開(kāi)斷能力。從各支路故障電流計(jì)算結(jié)果來(lái)看，日月山變電站短路電流水平過(guò)高，主要是因?yàn)槲鲗幍貐^(qū)750 kV電網(wǎng)呈環(huán)網(wǎng)運(yùn)行，線路長(zhǎng)度較短，變電站出線回路數(shù)多，至西寧、青山線路提供的短路電流較大，分別提供短路電流約占38%左右(雙回)和25%左右(雙回)。

表1 2025年西寧750 kV母線短路電流Table1 Short-circuit current of Xining 750 kV bus in 2025

表2 2025年日月山750 kV母線短路電流Table 2 Short-circuit current of Riyueshan 750 kV bus in 2025

2 線路裝設(shè)串聯(lián)電抗時(shí)短路電流靈敏度

2.1 線路裝設(shè)串聯(lián)電抗器模擬

線路裝設(shè)串聯(lián)電抗器通過(guò)在需要裝設(shè)串聯(lián)電抗器的線路兩端并聯(lián)一個(gè)阻抗值為-zij∥(zij+zL)的支路模擬，如圖2所示。其中:zij為線路i-j的阻抗；zL為線路i-j接入的串聯(lián)電抗器阻抗。

圖2 線路加裝串聯(lián)電抗器模擬Fig.2 Model of line with series reactor

2.2 串聯(lián)電抗器的短路電流靈敏度

2.2.1 三相短路電流靈敏度計(jì)算

裝設(shè)串聯(lián)電抗可模擬成投切一條阻抗支路，通過(guò)節(jié)點(diǎn)自阻抗的變化求解短路電流的變化量，此即為該限流措施對(duì)超標(biāo)母線上短路電流的靈敏度。

(1)

切除節(jié)點(diǎn)i和j之間的線路i-j前后，短路電流標(biāo)么值的變化量為

(2)

切除某條線路i-j，相當(dāng)于在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上追加一條阻抗值為-zij的線路。支路切除前后矩陣對(duì)角線元素的變化量為

(3)

其中：

(4)

式中：Zii為原網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)i的自阻抗；Zjj為原網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)j的自阻抗；Zij為節(jié)點(diǎn)i、j的互阻抗。

短路電流標(biāo)么值的改變量為

(5)

式中Zfi和Zfj分別為斷開(kāi)線路首末端節(jié)點(diǎn)與三相短路電流超標(biāo)研究節(jié)點(diǎn)之間的互阻抗。

轉(zhuǎn)成有名值為

(6)

2.2.2 單相短路電流靈敏度計(jì)算

單相接地短路為不對(duì)稱短路，單相接地短路的電流標(biāo)么值為

(7)

式中Zeq為等效故障阻抗。

(8)

單相接地短路電流標(biāo)么值的變化量為

(9)

其中，線路切除前后的等效故障阻抗之差為

綜合以上各式，可得出單相接地短路電流靈敏度如下：

(14)

3 西寧地區(qū)短路電流限制分析

西寧—日月山雙回750 kV線路加裝5～30 Ω串聯(lián)電抗，西寧和日月山750 kV母線短路電流如表3所示?？煽闯觯何鲗帯赵律诫p回線路各加裝25 Ω串聯(lián)電抗，日月山750 kV短路電流可降至50 kA以內(nèi)，但由于西寧處于電網(wǎng)中心位置，出線較多，750 kV短路電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)50 kA；加裝30 Ω串聯(lián)電抗，西寧750 kV短路電流僅降至57.90 kA。在此基礎(chǔ)上，即使再考慮西寧—郭隆雙回線路各加裝20 Ω串聯(lián)電抗，西寧750 kV短路電流降至53.02 kA，仍超過(guò)50 kA。

表3 2025年短路計(jì)算結(jié)果(西寧—日月山雙回750 kV線路加裝串抗)Table 3 Short-circuit results in 2025 (Xining-Riyueshan double 750 kV line installed series reactor)

綜合以上分析，僅考慮750 kV線路加裝串聯(lián)電抗不能解決西寧750 kV母線短路電流超標(biāo)問(wèn)題。

考慮采用如下兩個(gè)方案：方案1，西寧和日月山750 kV開(kāi)關(guān)升級(jí)改造為63 kA；方案2，運(yùn)行時(shí)西寧—日月山雙回線轉(zhuǎn)為熱備用，同時(shí)西寧—郭隆雙回加串抗。

方案1和方案2的短路電流計(jì)算結(jié)果如表4所示?？煽闯觯悍桨?，西寧和日月山750 kV母線最大短路電流分別為62.43和57.05 kA，西寧和日月山均升級(jí)改造為63 kA開(kāi)關(guān)，可基本滿足要求，但西寧變電站開(kāi)關(guān)已無(wú)裕度；方案2，西寧—日月山雙回線路轉(zhuǎn)為熱備用，同時(shí)西寧—郭隆每回線路郭隆側(cè)加裝20 Ω串聯(lián)電抗，西寧750 kV母線短路電流可降至48.40 kA，可不需升級(jí)改造750 kV開(kāi)關(guān)。

表4 青海東部主要750 kV母線短路電流結(jié)果Table 4 Short-circuit current results of main 750 kV bus in eastern Qinghai

4 結(jié)論

分析了青海西寧地區(qū)裝設(shè)串聯(lián)電抗器限制短路電流的可行性，研究了青海西寧地區(qū)限制短路電流方案。通過(guò)將串聯(lián)電抗器模擬為追加一條阻抗支路，可快速計(jì)算裝設(shè)串聯(lián)電抗器后的系統(tǒng)短路電流。研究結(jié)果表明，僅考慮750 kV線路加裝串聯(lián)電抗還不能解決西寧750 kV母線短路電流超標(biāo)問(wèn)題，通過(guò)運(yùn)行時(shí)西寧—日月山雙回750 kV線路轉(zhuǎn)為熱備用，西寧—郭隆雙回750 kV線路加裝20 Ω串聯(lián)電抗，可將西寧750 kV母線短路電流可降至48.40 kA，可不需升級(jí)改造750 kV開(kāi)關(guān)。