銀川東換流變電站限制短路電流的方法探討

黃欣,陸洪建,楊晨

(國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011)

隨著電力系統(tǒng)的高速發(fā)展，大型發(fā)電廠相繼投入運(yùn)行，裝機(jī)容量增加迅速，電網(wǎng)的聯(lián)系緊密，結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，環(huán)網(wǎng)增多，致使系統(tǒng)短路電流逐年加大，出現(xiàn)了系統(tǒng)短路電流超過(guò)斷路器的遮斷電流的情況。系統(tǒng)短路電流的超標(biāo)是電網(wǎng)安全運(yùn)行的嚴(yán)重隱患，如果發(fā)生斷路器不能滅弧而引起爆炸，輕則造成母線短路致使變電站失電，重則導(dǎo)致系統(tǒng)性事故引發(fā)大面積停電，為此尋求適應(yīng)系統(tǒng)發(fā)展，經(jīng)濟(jì)、可靠、切實(shí)可行的限制系統(tǒng)短路電流的綜合對(duì)策具有重要意義。

1 常規(guī)的短路電流限制方法

1.1 電網(wǎng)運(yùn)行中采取的限流措施

電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)，都要采取適當(dāng)?shù)亟档投搪饭收习l(fā)生概率及減小短路危害的措施。目前，國(guó)內(nèi)外主要從電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式著手，采取的限制短路電流措施主要有改變系統(tǒng)運(yùn)行方式，采用分層分區(qū)運(yùn)行，調(diào)整母線分列方式，中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地限制單相短路電流，采用靜止無(wú)功發(fā)生器或統(tǒng)一潮流控制器等技術(shù)間接限流，增大主系統(tǒng)到配電設(shè)備間的“計(jì)算阻抗”，如采用高阻抗變壓器限制其低壓側(cè)的短路電流，采用直流電網(wǎng)，發(fā)展更高一級(jí)電壓網(wǎng)絡(luò)等[1-6]。

1.2 故障電流限制器限制短路電流

故障電流限制器(以下簡(jiǎn)稱限流器)作為解決超高壓電網(wǎng)短路電流超標(biāo)的關(guān)鍵設(shè)備，有超導(dǎo)型、固態(tài)型、諧振型、非失調(diào)型等多種[7-9]，但因?qū)嶋H應(yīng)用中存在復(fù)雜性高、制造成本高、運(yùn)行損耗大等不足，未得到廣泛應(yīng)用。

1.3 快速開(kāi)關(guān)型故障限流器

基于串聯(lián)電抗器與快速開(kāi)關(guān)并聯(lián)的故障限流器[10-12]是指“開(kāi)關(guān)”與“電抗器”的并聯(lián)體。其中所述的開(kāi)關(guān)為分閘時(shí)間小于5 ms,可在20 ms內(nèi)開(kāi)斷超標(biāo)短路電流的“快速開(kāi)關(guān)”，電抗器為僅在短路故障期間投入的“短時(shí)限流電抗器”，因其具有制造成本低、正常運(yùn)行零損耗等優(yōu)點(diǎn)，成為了經(jīng)濟(jì)型限流器的優(yōu)選方案，在電網(wǎng)中已有廣泛應(yīng)用。

根據(jù)銀川東換流變電站短路電流的增長(zhǎng)趨勢(shì)，針對(duì)以上限流措施，進(jìn)行銀川東換流變電站限制短路電流的方法探討。

2 采用快速開(kāi)關(guān)的短路電流限制方法

2.1 應(yīng)用基于串聯(lián)電抗器與快速開(kāi)關(guān)并聯(lián)的故障限流器限制短路電流

通過(guò)對(duì)快速大遮斷容量真空斷路器的研制和改進(jìn)，在寧夏電網(wǎng)已實(shí)現(xiàn)了將高速大遮斷容量真空斷路器技術(shù)、短路電流快速識(shí)別及相控技術(shù)和限流電抗器技術(shù)集成應(yīng)用于超高壓電網(wǎng)的短路電流限制，并研制出1種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本合理、無(wú)運(yùn)行損耗、限流效果好、運(yùn)行可靠性高、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單的快速開(kāi)關(guān)型零損耗330 kV電網(wǎng)限流裝置[13-15]。這是國(guó)內(nèi)外首次在超高壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行時(shí)故障限流器無(wú)損耗，短路時(shí)可在小于 20 ms時(shí)間內(nèi)將系統(tǒng)短路電流限制在任意幅值內(nèi)的超高壓電網(wǎng)短路電流限制應(yīng)用技術(shù)。

2.2 采用快速開(kāi)關(guān)直接快速開(kāi)斷或隔離故障限制短路電流

國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司已于2018年實(shí)現(xiàn)了330 kV快速開(kāi)關(guān)的樣機(jī)研制工作，突破了短路故障快速識(shí)別和短路電流過(guò)零相控開(kāi)斷技術(shù)，開(kāi)發(fā)出額定電流5 kA，開(kāi)斷短路電流80 kA，故障識(shí)別時(shí)間小于2 ms，分閘時(shí)間小于5 ms，分閘分散度在0.1 ms以內(nèi)，合閘時(shí)間小于15 ms，合閘分散度在0.2 ms以內(nèi)的330 kV快速真空斷路器。

3 銀川東短路電流發(fā)展趨勢(shì)

銀川東換流變電站是寧夏電網(wǎng)首個(gè)接入西北750 kV電網(wǎng)的變電站。隨著750 kV銀川東、黃河、賀蘭山變電站相繼投運(yùn)及一批大機(jī)組群接入寧夏電網(wǎng)，寧夏電網(wǎng)短路電流水平有了較大的增長(zhǎng)。在采取了更換大遮斷容量的斷路器，750 kV主變選用高阻抗變壓器，以及750 kV變電站的330 kV、220 kV的開(kāi)關(guān)選用遮斷容量為63 kA的開(kāi)關(guān)等措施后，在一段時(shí)間內(nèi)保證了短路電流不超標(biāo)。

3.1 銀川東330 kV母線短路電流從正常到超標(biāo)的發(fā)展過(guò)程

2008年銀川東750 kV變電站投運(yùn)初期，變電站330 kV母線單相短路電流為28.05 kA，三相短路電流為25.81 kA，但只經(jīng)過(guò)3年時(shí)間，2011年銀川東換流變電站及其附近330 kV系統(tǒng)的部分站點(diǎn)短路電流就已接近開(kāi)關(guān)遮斷容量：銀川東330 kV母線單相短路電流已達(dá)到60.11 kA，為開(kāi)關(guān)遮斷容量的95%；三相短路電流為52.26 kA，為開(kāi)關(guān)遮斷容量的83%。在3年的時(shí)間內(nèi)銀川東330 kV母線短路電流幾乎成倍數(shù)增長(zhǎng)，急需開(kāi)展電網(wǎng)短路電流限制技術(shù)的研究工作。

3.2 銀川東750 kV母線短路電流從正常到超標(biāo)的發(fā)展過(guò)程

2008年銀川東750 kV變電站投運(yùn)初期，變電站750 kV母線單相短路電流為8.04 kA，三相短路電流為8.27 kA。2016年變電站750 kV母線單相短路電流達(dá)到41.52 kA，三相短路電流達(dá)到40.54 kA，單相短路電流值為斷路器額定50 kA水平的83%。2017年變電站750 kV母線單相短路電流達(dá)到49.7 kA，三相短路電流達(dá)到48.2 kA，單相短路電流值為斷路器額定50 kA水平的99%，短路電流限制問(wèn)題越來(lái)越突出。

4 銀川東限流方法的探討

4.1 330 kV電網(wǎng)運(yùn)行采取的限流措施

(1)330/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)(大壩聯(lián)變、月牙湖聯(lián)變熱備)；

(2)解開(kāi)銀川東-黃河750/330 kV部分電磁環(huán)網(wǎng)，熱備侯橋-牛首山-甜水河通道，如圖1所示。

圖1 熱備侯橋-牛首山-甜水河通道

此項(xiàng)措施限流效果明顯，實(shí)施后銀川東近區(qū)330 kV短路電流無(wú)超標(biāo)。

(3)主變中性點(diǎn)加小電抗

在銀川東、黃河、賀蘭山、沙湖主變中性點(diǎn)分別加裝14、10、5、5 Ω小電抗的綜合措施下，確保銀川東330 kV母線單相短路電流不超標(biāo)。

在以上3種運(yùn)行綜合限流措施配合下，實(shí)現(xiàn)了銀川東330 kV母線短路電流不超標(biāo)(銀川東330 kV三相/單相短路電流：54.63 kA/53.74 kA)。

4.2 750 kV電網(wǎng)運(yùn)行采取的限流措施

針對(duì)銀川東、靈州750 kV三相和單相短路電流超標(biāo)的措施，在靈州-銀川東雙回線路加裝串聯(lián)電抗器(30 Ω)，如圖2所示。

圖2 750 kV川州線加裝串抗

此項(xiàng)措施限流效果明顯，實(shí)施后銀川東、靈州750 kV短路電流不超標(biāo)(靈州三相/單相：52.03/54.34 kA，銀川東44.08 kA)，且加裝串抗前后，暫態(tài)穩(wěn)定和小干擾動(dòng)態(tài)穩(wěn)定特性無(wú)明顯變化。

通過(guò)運(yùn)行方式的改變和加裝傳統(tǒng)的電網(wǎng)限流設(shè)備雖然可以有效地限制短路電流，但電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性大為降低，因此，擬通過(guò)采用快速開(kāi)關(guān)型故障限流技術(shù)和直接采用快速開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)銀川東經(jīng)濟(jì)、可靠的限流。

4.3 采用快速雙母雙分段的限流措施

正常運(yùn)行方式下，如果在變電站母聯(lián)回路串入一種比傳統(tǒng)母聯(lián)開(kāi)關(guān)動(dòng)作更迅速的新型開(kāi)關(guān)，在故障發(fā)生后20 ms內(nèi)將母線分列，可有效降低變電站短路電流。傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)將故障可靠切除后，母聯(lián)快速開(kāi)關(guān)立即合閘恢復(fù)母線并聯(lián)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)整站短路電流超標(biāo)治理，同時(shí)兼顧短路電流限制的經(jīng)濟(jì)性與全面性，提高電網(wǎng)運(yùn)行可靠性。這樣的快速開(kāi)關(guān)一般用作變電站母線聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，正常運(yùn)行時(shí)母聯(lián)快速開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)，以提高每1條母線供電的可靠性。在發(fā)生故障時(shí)母聯(lián)快速開(kāi)關(guān)跳開(kāi)，切斷供給故障母線的短路電流，使得故障電流顯著降低。

借助母聯(lián)快速開(kāi)關(guān)限制短路電流的思路，如果將研制成功的363 kV快速開(kāi)關(guān)示范應(yīng)用于銀川東330 kV 3/2接線的雙母線的分段運(yùn)行，即在Ⅰ、Ⅱ母線的合適兩串中間同時(shí)各加入1臺(tái)363 kV快速開(kāi)關(guān)，如圖3所示，實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行時(shí)全站全接線運(yùn)行，故障時(shí)，2臺(tái)快速開(kāi)關(guān)同時(shí)跳開(kāi)(快速開(kāi)關(guān)起到雙母雙分段的作用)，開(kāi)關(guān)動(dòng)作后將變電站分列成2個(gè)部分運(yùn)行，可將330 kV母線短路電流降低55.5%，限流效果非常明顯。采用2018年7月電網(wǎng)計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)銀川東330 kV母線采用快速母線分段斷路器(銀川東330 kV雙母線在4～6串之間采用2臺(tái)快速開(kāi)關(guān)分段)的仿真計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 銀川東限流措施限流效果對(duì)比

圖3 銀川東330 kV母線采用快速雙母分段開(kāi)關(guān)

表1計(jì)算結(jié)果顯示：

(1)采用現(xiàn)階段實(shí)際運(yùn)行采取的同水變雙回線熱備運(yùn)行，銀川東變電站330 kV母線單相短路電流從74.95 kA下降至63.75 kA(仍不滿足開(kāi)關(guān)遮斷容量)，限流效果為14.9%；三相短路電流從68.49 kA下降至56.71 kA，限流17.19%。

(2)采用2臺(tái)363 kV快速開(kāi)關(guān)作2條母線中間的分段快速開(kāi)關(guān)，銀川東變電站330 kV母線單相短路電流從74.95 kA下降至35.76 kA，限流52.3%；三相短路電流從68.49 kA下降至30.48 kA，限流55.5%。

快速開(kāi)關(guān)作2條母線中間的分段快速開(kāi)關(guān)時(shí)限流效果非常明顯，同時(shí)可確保電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)的可靠性不降低。

4.4 采用主變加裝快速開(kāi)關(guān)型故障限流器

750 kV銀川東變電站1號(hào)主變750 kV側(cè)和中性點(diǎn)側(cè)同時(shí)加裝快速開(kāi)關(guān)型故障限流器時(shí)的限流效果計(jì)算見(jiàn)表2。

表2 加裝快速開(kāi)關(guān)型故障限流器限流效果

表2計(jì)算結(jié)果顯示：分別采用在銀川東主變750 kV側(cè)和中性點(diǎn)側(cè)加裝快速開(kāi)關(guān)型故障限流器，可有效降低750 kV和330 kV母線短路電流水平。

5 建 議

在銀川東短路電流的限制措施實(shí)施過(guò)程中，大多采用了電網(wǎng)運(yùn)行中已經(jīng)成熟的限流技術(shù)，但這些技術(shù)的采用不僅增加電網(wǎng)運(yùn)行損耗，而且降低電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性，隨著快速開(kāi)關(guān)型故障限流技術(shù)的進(jìn)步以及快速開(kāi)關(guān)技術(shù)逐步走向?qū)嶋H應(yīng)用，建議銀川東今后的限流措施考慮采用快速開(kāi)關(guān)型故障限流器和快速雙母聯(lián)雙分段的先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)減少電網(wǎng)運(yùn)行損耗及確保電網(wǎng)運(yùn)行可靠性的雙兼顧。