有效限制500kV變電站中壓側(cè)母線短路電流的技術(shù)措施探討

蘆 穎 岳 璐

（南京國聯(lián)電力工程設(shè)計有限公司）

0 引言

近年來，特高壓的投產(chǎn)、500kV網(wǎng)架的日益密集、大量電源的建成投產(chǎn)和地區(qū)220kV電網(wǎng)的進一步密集，特別是在負荷較重的經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，尤為明顯，隨著區(qū)域電網(wǎng)日趨強大，500kV變電站便成為該地區(qū)電網(wǎng)的樞紐點，因此大量500kV自耦變壓器投入運行。由于自耦變壓器中性點需直接接地，從而導(dǎo)致接地點大量增加，使220kV母線側(cè)短路電流水平上升加快，嚴重的已接近或超過開關(guān)的遮斷容量，給相關(guān)電氣設(shè)備的選擇帶來了困難，同時也帶來主變限額受限、變電站內(nèi)接地網(wǎng)投資增加等一系列問題。因此，為了電網(wǎng)的可靠運行與發(fā)展，需采取相應(yīng)措施來限制這一現(xiàn)象。

1 500kV變電站220kV母線單相短路電流越限問題分析

1.1 短路電流問題的出現(xiàn)及原因

蘇南地區(qū)地處長江下游，如今已是長三角中部經(jīng)濟發(fā)展的核心區(qū)域。經(jīng)多年建設(shè)，該區(qū)域內(nèi)500kV電網(wǎng)已形成雙鏈為主、雙環(huán)為輔的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

以蘇州地區(qū)為例，根據(jù)2018年對蘇州地區(qū)的電力負荷統(tǒng)計，區(qū)域內(nèi)有11座500kV變電站，總?cè)萘恳堰_29694MVA。電力系統(tǒng)快速擴容的同時，也出現(xiàn)了幾個較為明顯的問題：

（1）該區(qū)域電網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來越緊密，負荷密度越來越大，導(dǎo)致500kV 站間距較近，平均間距低于30km。

（2）單座500kV變電站規(guī)模越來越大，且在500kV變壓器中性點直接接地運行時，中壓側(cè)電抗值接近于零。

（3）自耦變壓器的零序電抗在系統(tǒng)零序網(wǎng)絡(luò)中為并列關(guān)系，因其自身的參數(shù)特性及投運數(shù)量的不斷增加，導(dǎo)致系統(tǒng)零序網(wǎng)絡(luò)中并列支路增多，系統(tǒng)總零序電抗進一步降低。

基于以上原因，該區(qū)域電網(wǎng)的短路電流水平不斷上升，電網(wǎng)短路點處出現(xiàn)總零序阻抗小于總正序阻抗的幾率也越來越大。

1.2 限制單相短路電流的措施

據(jù)以往經(jīng)驗來看，在電網(wǎng)發(fā)展的過程中限制單相短路電流的措施主要有以下幾種：

（1）調(diào)整電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，限制電網(wǎng)運行方式。

（2）更換高阻抗變壓器。

（3）500kV主變中性點加裝小電抗。

以上幾種措施均是為了提高短路點零序等效阻抗，進而降低單相短路電流。通過以往的實際運行效果來看：

措施（1）主要包含網(wǎng)架開環(huán)、母線分段、主變分列運行等方式。通過將區(qū)域內(nèi)220kV系統(tǒng)分層分區(qū)，500kV變電站220kV母線分段及主變分列運行，可以增大220kV系統(tǒng)阻抗。該方式的缺點是將同時削弱220kV系統(tǒng)內(nèi)在的聯(lián)系，限制網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的可靠性和靈活性。

措施（2），通過提高500kV自耦降壓變壓器的短路阻抗，也可以增大220kV系統(tǒng)阻抗。但該方式的缺點是會同時增大主變的無功損耗，降低主變的功率因數(shù)，給主變中、低壓側(cè)電壓水平帶來不利影響。

措施（3），此舉可以增加主變在系統(tǒng)零序網(wǎng)絡(luò)中的等值電抗。該措施不改變系統(tǒng)原有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及主變自身原有參數(shù)，不存在上述兩條措施的缺點，且投資小見效快。

1.3 中性點串聯(lián)小電抗短路電流分析

（1）自耦變壓器中性點經(jīng)小電抗接地，各繞組的等值零序電抗為：

k—變壓器高壓繞組與中壓繞組變比；

由上式可以看出：

相對于直接接地，自耦變壓器經(jīng)小電抗Xn接地時，中壓側(cè)零序電抗明顯增大，因此對中壓側(cè)單相短路電流可以起到限制作用。

（2）短路電流計算公式如下：

Uk—短路電壓；

Ik0—零序短路電流；

Zk0—零序阻抗；

Zk1—正序阻抗；

由上式可以得出：當(dāng)Zk0＜Zk1時，；根據(jù)系統(tǒng)運行要求，當(dāng)1～1.5＜Zk0／Zk1＜3時，。

2 小電抗值的選取及絕緣配合

2.1 小電抗值的選取

從以往裝設(shè)小電抗的先例來看，小電抗值的選取是一個十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，這與該地區(qū)短路電流水平及主變中性點絕緣水平有很大關(guān)系，相關(guān)文獻中一般推薦小電抗阻值在主變高-中壓阻抗值的1／10～1／3之間，即小電抗值在5～15Ω左右較為合適。

下面以某變電站為例，針對不同小電抗值分別計算站內(nèi)220kV母線短路電流值。中性點小電抗取值分別為5Ω、10Ω、15Ω以及不裝小電抗。

表1 該站220kV母線單相短路電流計算結(jié)果（單位：kA）

從表1可見，該站220kV母線單相短路電流在投運初期即達到48kA，在北部電網(wǎng)擴建后，其220kV母線單相短路電流達到48.7kA。加裝中性點小電抗后，其220kV母線單相短路電流明顯下降，可以將單相短路電流控制在43kA以下。

小電抗值在5Ω時短路電流下降了約5.8kA，小電抗值在10Ω時短路電流下降了約8.3kA，小電抗值在15Ω時短路電流下降了約9.7kA，可見，小電抗值5Ω時短路電流下降幅度最大，隨著中性點電抗值的增加，220kV側(cè)母線單相短路電流下降幅度逐步減少。考慮到遠景發(fā)展需要，根據(jù)計算結(jié)果并參考相關(guān)經(jīng)驗，故該站小電抗值應(yīng)選取10Ω較合適。

2.2 絕緣配合

500kV自耦變壓器中性點加裝小電抗后，當(dāng)變電站母線發(fā)生單相接地短路故障時，會在主變中性點形成壓降。因此需進行母線單相接地短路時主變中性點過電壓計算，以對中性點的絕緣水平進行校驗。該站設(shè)計時已考慮遠景主變中性點會經(jīng)小電抗接地的可能，其中性點絕緣水平為72.5kV。因此在該站主變中性點加裝小電抗，不會造成其中性點絕緣水平破壞。

就該站500kV、220kV側(cè)母線發(fā)生單相接地故障時，不同小電抗值下中性點工頻電壓進行了初步的計算，考慮到阻值過大會造成中性點過電壓值太大，因此僅選擇計算小電抗值為5Ω、10Ω 和15Ω 三種情況，具體計算結(jié)果見下表：

表2 中性點工頻過電壓值 （單位：kV）

從表2可見，故障情況下主變中性點工頻過電壓值隨著小電抗阻值的增大而增加，當(dāng)小電抗值為5Ω時，該站220kV側(cè)母線單相接地故障，中性點工頻電壓值為32.5kV；小電抗值為10Ω時，相同故障下中性點工頻電壓值為48kV；小電抗值為15Ω時，相同故障下中性點工頻電壓值達55.5kV。當(dāng)該站500kV側(cè)母線單相接地故障時，中性點工頻過電壓值均小于220kV側(cè)母線單相接地故障。

從以上過電壓計算得知在中性點小電抗值選擇5Ω、10Ω、15Ω時中性點絕緣水平均能滿足要求，考慮到10Ω的中性點小電抗限制短路電流作用明顯，同時中性點工頻過電壓不高，故該站選用10Ω的中性點小電抗。

2.3 設(shè)備基本參數(shù)

經(jīng)以上計算，該站相關(guān)設(shè)備參數(shù)選擇如下：

（1）小電抗的基本參數(shù)

a阻值：10Ω。

b額定持續(xù)電流：240A。

c額定短時電流持續(xù)時間：≥10s。

d動穩(wěn)定電流15kA（峰值，取2.55倍熱穩(wěn)定電流）。

e絕緣水平：取與主變中性點一致，72.5kV；外絕緣工頻耐壓：140kV／min。

（2）避雷器。避雷器選擇有如下原則，MOA標(biāo)稱電流下的殘壓Ur需小于BIL／K，BIL表示中性點基本雷電沖擊水平，對BIL雷電配合系數(shù)K取1.25。

因此所選避雷器需符合如下標(biāo)準(zhǔn)：

考慮變壓器中性點小電抗10Ω時的最高工頻電壓：48kA，避雷器額定電壓應(yīng)高于其在安裝處可能出現(xiàn)的工頻暫態(tài)電壓。根據(jù)計算及國網(wǎng)物資采購標(biāo)準(zhǔn)，避雷器選用Y5W-96／250。

（3）隔離開關(guān)。額定電流630A，4s熱穩(wěn)定電流31.5kA，額定峰值耐受電流80kA。

2.4 電氣主接線

3 結(jié)束語

基于目前電網(wǎng)的發(fā)展趨勢，短路電流的增長已成為制約電網(wǎng)發(fā)展和運行的主要問題之一，在電力系統(tǒng)可靠運行的前提下，應(yīng)充分考慮網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、運行方式、阻抗選擇、主變?nèi)萘康葘Χ搪冯娏鞯挠绊?，通過配電網(wǎng)絡(luò)分層分區(qū)、開環(huán)、母線分段、主變分列、高阻抗變壓器等措施組合，同時優(yōu)化配置串抗等限流設(shè)備，以控制各電壓等級的短路容量。因此有效限制500kV變電站中壓側(cè)母線短路電流是電力系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計需研究和解決的重要課題。