經(jīng)小電抗接地的220 kV/110 kV變壓器小電抗值選取

史建省

（國網(wǎng)山東省電力公司濰坊市寒亭區(qū)供電公司，山東 濰坊 261100）

0 引言

對(duì)于經(jīng)小電抗接地的變壓器，不僅小電抗值的選取要符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，還要綜合考慮短路電流大小、零序電流保護(hù)、中性點(diǎn)絕緣等級(jí)、接線方式等諸多因素［1］。文獻(xiàn)［2］指出小電抗值的選取范圍在變壓器零序阻抗的30%～40%，然而這種選取方式難以同時(shí)滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、限制短路電流大小、零序電流保護(hù)準(zhǔn)確動(dòng)作等一系列要求，一旦選取不當(dāng)，將會(huì)給變壓器的安全運(yùn)行帶來許多隱患，目前，尚沒有相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)討論，因此有必要對(duì)小電抗值的選取進(jìn)行深入探討。在綜合考慮各方面因素的基礎(chǔ)上，對(duì)變壓器接地小電抗值的選取進(jìn)行了深入研究，提出了小電抗值的選取方法，并以某電網(wǎng)220 kV/110 kV系統(tǒng)為研究對(duì)象，基于PSCAD/EMTDC軟件進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了使用本文方法進(jìn)行接地小電抗值選取的合理性，有效地確保了電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

1 小電抗值選取考慮因素

接地小電抗值的選取要綜合考慮相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、限制單相接地短路電流、零序電流保護(hù)、變壓器絕緣等級(jí)等因素。

1.1 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》規(guī)定，220 kV/110 kV系統(tǒng)的零序電抗與正序電抗之比 X0/X1小于 3［3-4］，因此，主變壓器中性點(diǎn)接入的小電抗取值要受到該限制。為防止可能會(huì)發(fā)生的極端情況下的不對(duì)稱故障危及絕緣配合，必須保證任何工況下系統(tǒng)的零序等值電抗與正序等值電抗之比均小于 3［5］。

1.2 限制單相接地短路故障電流

單相接地故障約占電力系統(tǒng)故障80%以上，單相接地短路電流大于三相短路電流的現(xiàn)象普遍存在。在電力系統(tǒng)，斷路器的切斷容量通常以三相短路電流為基準(zhǔn)設(shè)計(jì)，因而斷路器切不斷單相短路電流的事故時(shí)有發(fā)生，所以必須按照限制單相短路電流，使其不大于三相短路電流的原則來選取接地小電抗值［6-8］。

1.3 中性點(diǎn)絕緣等級(jí)要求

根據(jù)GB 311.7—1988《高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合使用導(dǎo)則》，110 kV系統(tǒng)變壓器中性點(diǎn)為35 kV絕緣等級(jí)的1 min工頻耐受電壓有效值為72 kV，則所選取的小電抗范圍滿足變壓器中性點(diǎn)絕緣要求［9-11］。如果仍然不滿足絕緣要求，可根據(jù)以下方法計(jì)算所接小電抗的值，變壓器中性點(diǎn)過電壓穩(wěn)態(tài)值為［12-13］式中：U0為變壓器中性點(diǎn)穩(wěn)態(tài)電壓；Ug為系統(tǒng)相電壓；X0為變壓器中性點(diǎn)接入小電抗后的系統(tǒng)零序電抗；X1為系統(tǒng)正序電抗。

1.4 零序保護(hù)要求

對(duì)于具有2臺(tái)并列運(yùn)行變壓器的變電站可以考慮在變壓器中性點(diǎn)加裝小電抗時(shí)盡量保持零序阻抗值不變，從而無需對(duì)零序電流保護(hù)動(dòng)作值重新整定［14］。要保持零序阻抗值不變，則變壓器中性點(diǎn)接入的小電抗須滿足［15］

式中：X0為變壓器零序電抗；XL為接入的小電抗值。

中性點(diǎn)應(yīng)該接入的小電抗為

2 系統(tǒng)仿真

2.1 電網(wǎng)建模

該系統(tǒng)由2臺(tái)并列運(yùn)行的三繞組220 kV變壓器以及與其相連接的110kV變壓器組成，其中220 kV變壓器為YNyn0d11接法，110 kV變壓器為Ynd11接法，T1和T2主變壓器容量均為180 MVA。T3和T4主變壓器容量均為63 MVA，且型號(hào)相同，高壓側(cè)均不接地。仿真模型一次系統(tǒng)如圖1所示。L2和L3為架空輸電線路，長度分別為13.6 km和21.9 km，線路和變壓器參數(shù)分別如表1和表2所示。

圖1 仿真模型一次系統(tǒng)

表1 220 kV變壓器主要參數(shù) pu

表2 部分線路參數(shù)設(shè)置 pu

2.2 系統(tǒng)運(yùn)行方式

該220 kV變電站可能出現(xiàn)的經(jīng)小電抗接地的運(yùn)行方式主要有以下4種［16］：

1）T1主變壓器的220 kV側(cè)中性點(diǎn)直接接地、110 kV側(cè)經(jīng)小電抗接地，T2主變壓器的220 kV，110kV側(cè)中性點(diǎn)都不接地。

2）T1主變壓器的220 kV直接接地、110 kV側(cè)經(jīng)小電抗接地，T2主變壓器中性點(diǎn)220 kV側(cè)不接地，110 kV側(cè)經(jīng)小電抗接地。

3）T1主變壓器的220 kV側(cè)中性點(diǎn)直接接地、110 kV側(cè)經(jīng)小電抗接地，T2主變壓器中性點(diǎn)220 kV側(cè)直接接地，110 kV側(cè)不接地。

4）2臺(tái)主變壓器的220 kV側(cè)中性點(diǎn)直接接地、110kV側(cè)都經(jīng)小電抗接地。

由于方式2與方式1的正序、零序等值電抗完全相同，方式3介于方式1，4之間，僅討論方式1，4，對(duì)于方式2，3不再贅述。變電站110 kV母線發(fā)生單相接地故障時(shí)，其正序等值電抗如圖2所示。圖3中，XL1，XL2分別為 220 kV，110 kV 線路正序等值電抗；Xtlh1，Xtlm1分別為1號(hào)主變壓器高、中壓側(cè)繞組正序電抗；Xt2h1，Xt2m1分別為2號(hào)主變壓器高、中壓側(cè)繞組正序電抗。

圖2 變電站正序等值電抗

以方式1（T1主變壓器的220 kV側(cè)中性點(diǎn)直接接地、110 kV側(cè)經(jīng)小電抗接地，T2主變壓器的220 kV，110 kV側(cè)中性點(diǎn)都不接地）為例計(jì)算應(yīng)該選取的接地電抗值。在接地主變壓器110 kV側(cè)中性點(diǎn)加小電抗后，系統(tǒng)正序電抗、負(fù)序電抗不變，零序電抗會(huì)發(fā)生改變。加小電抗之后，系統(tǒng)零序等值電抗圖如圖3所示，其中XL10為220 kV側(cè)線路零序電抗，XL20為 110 kV 側(cè)線路零序電抗，Xt1h0，Xt1m0，Xt1l0分別為變壓器高、中、低壓側(cè)零序電抗［17］?？梢娫诮拥刂髯儔浩?10 kV側(cè)中性點(diǎn)加小電抗XL后，變電站系統(tǒng)的等值零序電抗變大，當(dāng)220 kV變電站中壓側(cè)發(fā)生單相接地時(shí)，短路電流變小，流過主變壓器繞組、中性點(diǎn)的電流也同時(shí)變小。

圖3 方式1下的零序電抗

2.3 小電抗值的選取

根據(jù)DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》要求，當(dāng)系統(tǒng)以方式1運(yùn)行時(shí)，設(shè)定加入的電抗為XL，則有

對(duì)于方式4，同理計(jì)算得XL4≤9.1 Ω。

按照變電站110 kV側(cè)母線單相接地短路電流不大于三相短路電流的原則來選取接地電抗，即

變電站110kV側(cè)母線單相短路故障電流為［18］

將式（6）、式（8）得到的數(shù)據(jù)帶入式（7），可得XL≥0.65 Ω。

按照上述原則，對(duì)于方式4，有XL4≥2.286 Ω。

方式1，4下分別在220 kV變電站中壓側(cè)母線、110 kV變電站高壓側(cè)母線設(shè)置三相接地故障、加入小電抗前后單相接地故障電流如表1～2所示。B，C變電站的主變型號(hào)相同，小電抗值的選取原則也相同，因此只介紹在B變電站高壓母線設(shè)置故障點(diǎn)的情況，C變電站的情況相同。

變電站110 kV側(cè)母線三相短路故障電流為

表1 方式1加入小電抗前后的短路電流 kA

表2 方式4加入小電抗前后的短路電流 kA

從表1、表2中的故障電流可知，通過以上對(duì)于小電抗的選取，可以將單相短路故障電流限制在三相短路電流之下，從而可以暫時(shí)將方式1下的小電抗值取為0.65 Ω≤XL1≤3.8 Ω，方式4下的小電抗值取為 2.3 Ω≤XL4≤9.1 Ω。

對(duì)于小電抗的選取，還要通過仿真來校驗(yàn)?zāi)芊駶M足變壓器中性點(diǎn)絕緣等級(jí)要求。

方式1下分別在220 kV變電站中壓側(cè)母線、110 kV變電站高壓側(cè)母線設(shè)置單相接地故障，加入故障前后各不接地主變壓器中性點(diǎn)過電壓穩(wěn)態(tài)值、暫態(tài)值對(duì)比如表3～4所示。

表3 方式1加入小電抗前后各不接地主變壓器工頻穩(wěn)態(tài)過電壓有效值 kV

表4 方式1加入小電抗前后的工頻暫態(tài)過電壓峰值 kV

同樣，在方式4下設(shè)置與方式1相同地點(diǎn)、相同類型的故障，加入小電抗前后B站主變壓器中性點(diǎn)過電壓穩(wěn)態(tài)值、暫態(tài)值如表5～6所示。

表5 方式4 B站變壓器中性點(diǎn)加入小電抗前后的工頻穩(wěn)態(tài)過電壓有效值 kV

表6 方式4 B站變壓器中性點(diǎn)加入小電抗前后的工頻暫態(tài)過電壓峰值 kV

選取以上小電抗值，110 kV系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時(shí)，在方式1和方式4下變壓器中性點(diǎn)最大工頻過電壓有效值分別為44.53 kV和44.26 kV，滿足變壓器中性點(diǎn)絕緣的要求。

顯然，為限制單相接地短路電流，方式1接入小電抗之后，系統(tǒng)零序阻抗必定會(huì)增大，該站母線以及變壓器承擔(dān)的短路電流會(huì)減小，從而零序電流保護(hù)動(dòng)作值也需要重新整定。

按照方式4接入小電抗時(shí)，在滿足上述3點(diǎn)要求的前提下，可以按（5）式選取小電抗，使系統(tǒng)零序阻抗保持不變，帶入數(shù)據(jù)得XL4=3.159 Ω，恰好滿足上面所求得到的方式4下的小電抗值范圍內(nèi)（2.3 Ω≤XL4≤9.1 Ω），滿足所有要求。若求得的小電抗值不在此范圍之內(nèi)，則必須放棄“盡量使零序阻抗不變”的原則，重新整定零序保護(hù)的動(dòng)作值。

綜合以上幾項(xiàng)因素，方式1和4的小電抗范圍分別可取為 0.65～3.8 Ω、2.3～9.1 Ω。 若方式 4 下選取小電抗值大小為3.159 Ω時(shí)，可以無需重新整定零序電流保護(hù)的動(dòng)作值。由于所接入的小電抗值越大，單相接地故障導(dǎo)致的變壓器中性點(diǎn)過電壓越高，不利于變壓器的絕緣，同時(shí)導(dǎo)致流過變壓器的零序電流越小，不利于繼電保護(hù)裝置快速動(dòng)作，因此建議將小電抗在滿足上述要求的前提下盡量選得小一些。

3 結(jié)語

針對(duì)變壓器經(jīng)小電抗接地的系統(tǒng)小電抗值選取問題，提出了一種小電抗值的選取方法，并在仿真軟件上對(duì)選取的小電抗進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，采用該方法選取的小電抗能夠滿足變壓器運(yùn)行的要求。下一步將針對(duì)更加復(fù)雜的電力系統(tǒng)，進(jìn)行接地小電抗值的選取和計(jì)算，為該方法充分運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)中提供可靠的理論依據(jù)。