限制青海東部電網(wǎng)短路電流的電磁解環(huán)方案

傅 旭，李富春

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

我國(guó)電網(wǎng)的規(guī)模日益增加，電網(wǎng)輸電能力不斷提高，但伴隨而來(lái)的是電網(wǎng)短路電流超標(biāo)日益嚴(yán)重[1-5]，通過(guò)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、增加限流裝置來(lái)限制短路電流引起了越來(lái)越多的電力工作者的注意[6-10]。文獻(xiàn)[11]分析了大機(jī)組降壓運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)短路電流的影響。文獻(xiàn)[12]針對(duì)單相短路電流超標(biāo)的問(wèn)題，提出了特高壓受端電網(wǎng)的綜合限流優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[13]以天津電網(wǎng)為研究對(duì)象，利用220 kV電網(wǎng)分區(qū)限制天津電網(wǎng)短路電流。在短路電流計(jì)算方法方面，文獻(xiàn)[14]采用疊加定理計(jì)算含變流型電源電網(wǎng)短路電流來(lái)進(jìn)行設(shè)備選型。文獻(xiàn)[15]為考慮風(fēng)電機(jī)組鏈?zhǔn)竭B接對(duì)風(fēng)電場(chǎng)短路電流的影響，利用風(fēng)機(jī)短路時(shí)電壓電流的特性關(guān)系求解出風(fēng)電場(chǎng)各臺(tái)風(fēng)機(jī)的機(jī)端電壓和風(fēng)電場(chǎng)短路電流。文獻(xiàn)[16]針對(duì)配電網(wǎng)短路電流計(jì)算時(shí)未考慮負(fù)荷的問(wèn)題，提出了故障端口的改進(jìn)算法。

電磁環(huán)網(wǎng)可提高電網(wǎng)輸送電能力、地區(qū)內(nèi)部供電能力，但同時(shí)會(huì)帶來(lái)電力系統(tǒng)熱穩(wěn)定、動(dòng)穩(wěn)定、短路電流超標(biāo)等影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的問(wèn)題[17]?！峨娏ο到y(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》要求電磁環(huán)網(wǎng)應(yīng)當(dāng)逐步解開(kāi)并按照電網(wǎng)電壓等級(jí)和供電區(qū)域合理分層、分區(qū)[18]。對(duì)于電磁環(huán)網(wǎng)的解環(huán)問(wèn)題，電力工作者進(jìn)行了大量的研究[19-21]。

隨著青海東部電網(wǎng)的逐步加強(qiáng)，750/330 kV電磁環(huán)網(wǎng)較多，330 kV電網(wǎng)的短路電流超標(biāo)問(wèn)題愈來(lái)愈嚴(yán)重[22]。為限制青海東部電網(wǎng)的短路電流水平，本文利用支路追加法模擬電磁解環(huán)和母線分裂，推導(dǎo)電磁解環(huán)和母線分裂的短路電流靈敏度，研究青海東部地區(qū)750/330 kV電網(wǎng)的電磁解環(huán)方案。

1 青海東部330 kV母線短路電流分析

青海東部的西寧和海東地區(qū)是青海電網(wǎng)的負(fù)荷中心，隨著地區(qū)電網(wǎng)的逐步加強(qiáng)，750/330 kV電磁環(huán)網(wǎng)增多，330 kV電網(wǎng)的短路電流超標(biāo)問(wèn)題愈來(lái)愈嚴(yán)重。2025年西寧和海東地區(qū)將形成多個(gè)750/330 kV電磁環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，將導(dǎo)致西寧和青山供電區(qū)的330 kV泉灣、花園、景陽(yáng)、黃家寨和山城變330 kV母線短路電流超標(biāo)，短路電流預(yù)測(cè)值如表1所示。為解決近遠(yuǎn)期青海330 kV電網(wǎng)短路電流超標(biāo)問(wèn)題，在歷年的青海電網(wǎng)規(guī)劃中已逐步考慮解環(huán)措施，電網(wǎng)方案滾動(dòng)調(diào)整也逐步朝有利于電網(wǎng)解環(huán)的方向發(fā)展。

表1 2025年青海東部330 kV母線短路電流Table 1 Short circuit current of 330 kV bus in eastern Qinghai in 2025 year

2 限流措施的短路電流靈敏度

2.1 限流措施模擬

2.1.1 母線分裂運(yùn)行模擬

母線分裂運(yùn)行通過(guò)改變電網(wǎng)中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電氣主接線來(lái)調(diào)整電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，減少系統(tǒng)電氣聯(lián)系，進(jìn)而增大系統(tǒng)的阻抗，起到限制電網(wǎng)短路電流的作用。圖1是母線分列運(yùn)行模擬方法。正常情況下母線分段斷路器A閉合，相當(dāng)于2個(gè)阻抗值分別為+1和-1的支路串聯(lián)。當(dāng)斷路器斷開(kāi)時(shí)，通過(guò)在阻抗值為+1支路上并聯(lián)1個(gè)阻抗值為-1的支路模擬。

圖1 母線分裂模擬Fig.1 Model of bus split

2.1.2 電磁解環(huán)模擬

電磁環(huán)網(wǎng)是指不同電壓等級(jí)組成的網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)兩端變壓器磁回路的聯(lián)接而形成的環(huán)網(wǎng)。電磁解環(huán)指的是通過(guò)斷開(kāi)下一級(jí)電壓等級(jí)的線路、母線分裂等手段消除電磁環(huán)網(wǎng)。而切除某條線路，相當(dāng)于在原線路兩端追加1條阻抗值為-zij的線路，zij為原線路的阻抗值，如圖2所示。

圖2 電磁解環(huán)模擬Fig.2 Model of electromagnetic gird division

2.2 短路電流靈敏度計(jì)算

采用支路追加法計(jì)算支路切除后的節(jié)點(diǎn)阻抗變化量，進(jìn)而計(jì)算出母線短路電流的靈敏度[22]。

2.2.1 三相短路電流靈敏度計(jì)算

(1)

式中f=1,2,…,m。

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

(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；zij為切除線路的阻抗。

短路電流標(biāo)幺值的改變量為

(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)

式中：SB為系統(tǒng)基準(zhǔn)容量；UB為系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓。

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(chēng)短路，單相接地短路的電流標(biāo)幺值為

(7)

式中Zeq為等效故障阻抗，

(8)

單相接地短路電流標(biāo)幺值的變化量為

(9)

其中，線路切除前后的等效故障阻抗之差為

轉(zhuǎn)為有名值為

(14)

3 限流效果分析

3.1 電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)方案

3.1.1 西寧與海東330 kV解環(huán)方案

遠(yuǎn)期2025年為限制330 kV電網(wǎng)短路電流，西寧、海東330 kV電網(wǎng)將解環(huán)運(yùn)行，將西寧、海東330 kV電網(wǎng)的解環(huán)點(diǎn)設(shè)置在郭隆330 kV母線，如圖3所示。

圖3 郭隆變330 kV母線分段Fig.3 Guolong 330 kV bus division

3.1.2 西寧與青山330 kV解環(huán)方案

青山(西寧北)750 kV輸變電工程中對(duì)西寧北部地區(qū)330 kV電網(wǎng)進(jìn)行了優(yōu)化，將遠(yuǎn)期解環(huán)點(diǎn)設(shè)置在山城—景陽(yáng)雙回330 kV線路，如圖4所示。

圖4 西寧與青山電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)Fig.4 Xining and Qingshan electromagnetic gird division

3.1.3 郭隆與官亭330 kV解環(huán)方案

根據(jù)規(guī)劃，為限制海東地區(qū)尤其是官亭330 kV母線短路電流超標(biāo)問(wèn)題，通過(guò)民和變電站(開(kāi)關(guān)站)的建設(shè)將郭隆與官亭供電區(qū)的解環(huán)點(diǎn)設(shè)置在阿蘭—民和雙回330 kV線路，如圖5所示。

圖5 郭隆與官亭電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)Fig.5 Guolong and Xining electromagnetic gird division

3.2 短路電流計(jì)算結(jié)果

2025年郭隆變考慮4臺(tái)主變壓器，330 kV母線最大短路電流達(dá)到78.89 kA，主變壓器并列提供短路電流較大，330 kV母線分段運(yùn)行，即可實(shí)現(xiàn)西寧與海東之間的電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)。各線路短路電流計(jì)算結(jié)果如表2所示。解環(huán)后，郭隆變供西寧側(cè)330 kV母線最大短路電流降低至54.67 kA，供海東側(cè)330 kV母線最大短路電流降低至41.58 kA。2025年郭隆330 kV母線分段，西寧與青山之間330 kV電磁環(huán)網(wǎng)合環(huán)運(yùn)行，泉灣、花園、景陽(yáng)、黃家寨和山城330 kV母線短路電流超標(biāo)，可考慮正常運(yùn)行時(shí)斷開(kāi)山城—景陽(yáng)雙回330 kV線路，實(shí)現(xiàn)電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)運(yùn)行。解環(huán)后，泉灣、花園、景陽(yáng)、黃家寨、山城330 kV母線最大短路電流分別降低至48.22、45.26、36.27、27.19、27.20 kA，均在設(shè)備遮斷能力之內(nèi)。

2025年郭隆與官亭之間330 kV電磁環(huán)網(wǎng)合環(huán)運(yùn)行，官亭330 kV母線最大短路電流仍超過(guò)50 kA(約為50.78 kA)，可考慮正常運(yùn)行時(shí)斷開(kāi)阿蘭—民和雙回330 kV線路，實(shí)現(xiàn)電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)運(yùn)行。解環(huán)后官亭330 kV母線最大短路電流降低至43.7 kA。

若民和熱電和阿蘭出線間隔位于同一串內(nèi)，遠(yuǎn)期出串運(yùn)行，郭隆和官亭供電區(qū)解環(huán)，官亭短路電流可進(jìn)一步降低至40.59 kA。限制官亭330 kV母線短路電流，也可采取一些在調(diào)度運(yùn)行時(shí)的臨時(shí)限制短路電流方案，比如目前已在使用的限制附近水電的開(kāi)機(jī)方式。經(jīng)計(jì)算，公伯峽和積石峽各少開(kāi)1臺(tái)機(jī)組，官亭330 kV母線短路電流可降低至48.03 kA。

4 結(jié)論

分析了青海東部電網(wǎng)通過(guò)電磁解環(huán)限制短路電流的可行性。通過(guò)將將母線分裂和線路開(kāi)斷模擬為追加1條負(fù)阻抗支路，可快速計(jì)算電磁解環(huán)后的短路電流計(jì)算水平。研究結(jié)果表明：

(1) 2025年青海電網(wǎng)規(guī)劃網(wǎng)架結(jié)構(gòu)堅(jiān)強(qiáng)，限制330 kV短路電流可通過(guò)電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)實(shí)現(xiàn)；

(2) 西寧與青山之間330 kV電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)選擇斷開(kāi)山城—景陽(yáng)雙回330 kV線路;西寧與海東之間330 kV電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)，采用330 kV母線分段運(yùn)行；郭隆與官亭之間330 kV電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)采用斷開(kāi)阿蘭—民和雙回330 kV線路。

表2 青海電網(wǎng)短路電流計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of short-circuit current in Qinghai power grid

注：(1)代表西寧與海東330 kV解環(huán)；(2)代表西寧與青山330 kV解環(huán)；(3)代表郭隆與官亭330 kV解環(huán)。