±1100 kV分層接入換流站短路電流計(jì)算及地網(wǎng)設(shè)計(jì)研究

曾維雯，韓毅博，陳 晨，李浩原，周思遠(yuǎn)，謝 龍

(中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司, 湖北 武漢 430071)

0 引 言

昌吉—古泉±1100 kV特高壓直流輸電工程是目前世界上具備最高電壓等級(jí)、最大輸送容量、最遠(yuǎn)輸送距離、最先進(jìn)技術(shù)的特高壓直流輸電工程。昌吉—古泉特高壓工程的建設(shè)，極大緩解了華東地區(qū)“十三五”期間電力供需矛盾，滿足了受端地區(qū)經(jīng)濟(jì)及負(fù)荷快速增長需要，保障了華東地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展[1]。吉泉直流工程的勘測設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、施工調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，為今后國內(nèi)外直流工程建設(shè)提供了有價(jià)值的技術(shù)資料?！?100 kV古泉換流站是吉泉直流受端換流站，換流站網(wǎng)側(cè)采用分層接入[2]方式，分別接入1000 kV和500 kV交流系統(tǒng)。短路電流計(jì)算及接地設(shè)計(jì)是工程設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，隨著電網(wǎng)規(guī)模逐步擴(kuò)大，系統(tǒng)接地短路電流也呈現(xiàn)上升趨勢，對(duì)人身安全、弱電設(shè)備抗干擾性能等方面也提出了更高的要求，因此，接地網(wǎng)的可靠設(shè)計(jì)對(duì)換流站的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。對(duì)于古泉這種具有分層接入方式的特殊換流站，需要對(duì)不同的接入點(diǎn)，基于換流站各種運(yùn)行方式來計(jì)算短路電流，并用于指導(dǎo)設(shè)備選型和接地網(wǎng)設(shè)計(jì)。

1 換流站分層接入特點(diǎn)

特高壓換流站交流常規(guī)接入方式和分層接入方式如圖1所示。常規(guī)接入方式為單層接入500 kV或750 kV系統(tǒng)，全部直流功率接入單個(gè)交流落點(diǎn)，不利于電網(wǎng)潮流疏散；分層接入方式將換流變壓器網(wǎng)側(cè)分別接入500 kV和1000 kV系統(tǒng)，改善了直流功率在不同電壓層級(jí)電網(wǎng)的分布情況，并降低了交流電網(wǎng)電壓失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)[3]，增強(qiáng)了電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

圖1 換流站接入方式

2 系統(tǒng)短路電流計(jì)算

2.1 系統(tǒng)參數(shù)

換流站系統(tǒng)接線如圖2所示。基準(zhǔn)容量Sj=100 MVA，基準(zhǔn)電壓Uj1-1000=1050 kV，Uj1-500=525 kV，Uj2=10.5 kV。

圖2 換流站系統(tǒng)接線

1)系統(tǒng)阻抗

根據(jù)系統(tǒng)資料，1000 kV系統(tǒng)等值正、負(fù)序阻抗X11-1000=X21-1000=0.002 025，系統(tǒng)零序等值阻抗X01-1000=0.002 398；500 kV系統(tǒng)等值正、負(fù)序阻抗X11-500=X21-500=0.002 398，系統(tǒng)零序等值阻抗X01-1000=0.002 69；1000 kV與500 kV等值正、負(fù)序阻抗X11-1000～500=X21-1000～500=0.040 2，系統(tǒng)零序等值阻抗X01-1000～500=0.628 5。

2)換流變壓器參數(shù)

8組容量為Se1=3×587.1 MVA換流變壓器，低端4組連接1000 kV母線，高端4組連接500 kV母線，其中YN/y和YN/d連接各4組，每組由3臺(tái)單相雙繞組變壓器組成，阻抗壓降Ud1=22%?？捎?jì)算得單組換流變壓器正、負(fù)、零序等值阻抗為X12=X22=X02=0.012 49。

3)高壓站用變壓器參數(shù)

2臺(tái)容量為Se2=40 MVA的500 kV/10 kV三相變壓器，阻抗壓降Ud2=12%?？捎?jì)算得單臺(tái)高壓站用變壓器正、負(fù)、零序等值阻抗為X13=X23=X03=0.3。

2.2 三相對(duì)稱短路電流計(jì)算

換流站系統(tǒng)正、負(fù)序等值阻抗如圖3所示。

圖3中X11-1000、X11-500、X11-1000～500為系統(tǒng)正序等值阻抗，X13為單臺(tái)500 kV/10 kV高壓站用變壓器正序等值阻抗。三相對(duì)稱短路電流計(jì)算如式(1)所示[4]。

圖3 系統(tǒng)正、負(fù)序等值阻抗

(1)

三相對(duì)稱短路電流計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 三相對(duì)稱短路電流計(jì)算結(jié)果

2.3 兩相短路電流計(jì)算

兩相對(duì)稱短路電流計(jì)算如式(2)所示[4]。

(2)

兩相短路電流計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 兩相短路電流計(jì)算結(jié)果

2.4 兩相接地及單相短路電流計(jì)算

兩相接地及單相短路需考慮零序網(wǎng)絡(luò)的影響，其中YY變壓器零序阻抗為無窮大，Y△變壓器零序阻抗與正序阻抗相同[4]。換流站系統(tǒng)零序等值阻抗如圖4所示，圖中X01-1000、X01-500、X01-1000-500為系統(tǒng)零序等值阻抗，X02為換流變壓器零序阻抗，X03為高壓站用變壓器零序阻抗。

圖4 系統(tǒng)零序等值阻抗

單相接地短路電流計(jì)算如式(3)所示[4]。

(3)

兩相接地短路電流計(jì)算如式(4)所示[4]。

(4)

計(jì)入零序阻抗后，需考慮換流站不同的運(yùn)行方式。換流站兩相接地及單相短路電流計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 兩相接地及單相短路電流計(jì)算結(jié)果

3 入地短路電流計(jì)算

3.1 交流入地短路電流

根據(jù)換流站交流側(cè)接線方式，在站內(nèi)1000 kV母線短路時(shí)，站內(nèi)側(cè)的短路電流通過1000 kV換流變壓器阻抗、500 kV換流變壓器阻抗(由1000 kV～500 kV系統(tǒng)互阻抗連接到1000 kV母線)經(jīng)“本站變壓器高壓側(cè)—本站母線—本站接地網(wǎng)金屬導(dǎo)體(未經(jīng)過大地土壤)—本站變壓器中性點(diǎn)”流通，系統(tǒng)側(cè)的短路電流通過1000 kV系統(tǒng)阻抗、500 kV系統(tǒng)阻抗(由1000 kV～500 kV系統(tǒng)互阻抗連接到1000 kV母線)經(jīng)“系統(tǒng)內(nèi)其他變壓器高壓側(cè)—其他站母線—輸電線路—本站母線—本站接地網(wǎng)—大地土壤—其他站接地網(wǎng)—其他站變壓器中性點(diǎn)”流通。500 kV母線短路時(shí)情況類似，站外短路則反之。因此，站內(nèi)短路時(shí)，用于接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的入地短路電流取系統(tǒng)側(cè)短路電流分量；站外短路時(shí)取站內(nèi)側(cè)短路電流分量[5]。

站內(nèi)點(diǎn)短路時(shí)的入地電流為

Ig，in=Imax(1,2)×X0Σ23/(X0Σ23+X01)

(5)

站外點(diǎn)短路時(shí)的入地電流為

Ig，out=Imax(1,2)×X01/(X0Σ23+X01)

(6)

式中：Imax(1,2)為單相接地短路電流和兩相接地短路電流中的較大值，kA；X0Σ23為站內(nèi)合成零序阻抗(標(biāo)幺值)；X01為系統(tǒng)零序合成阻抗(標(biāo)幺值)。

在計(jì)算合成阻抗時(shí)，同樣需要考慮換流站不同運(yùn)行方式的影響。換流站交流側(cè)入地短路電流計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 交流側(cè)入地短路電流計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表4計(jì)算結(jié)果可知，未考慮避雷線分流系數(shù)時(shí)，1000 kV站內(nèi)短路時(shí)的最大入地短路電流為26.36 kA，站外短路時(shí)的最大入地短路電流為8.5 kA；500 kV站內(nèi)短路時(shí)的最大入地短路電流為45.18 kA，站外短路時(shí)的最大入地短路電流為17.11 kA。

3.2 直流入地短路電流

換流站直流側(cè)最大入地短路電流可按式(7)計(jì)算[6]。

(7)

式中：Icrest為晶閘管閥橋與平波電抗器之間直流極線對(duì)地短路時(shí)的短路電流，kA；Id為長時(shí)間過負(fù)荷直流電流，kA；IdN為額定直流電流，kA；dx為直流側(cè)感性壓降(標(biāo)幺值)；Udioabs max為絕對(duì)最大空載電壓，kV；UdioN為標(biāo)稱理想空載電壓，kV。

計(jì)算求得Icrest=35.53 kA。考慮到直流側(cè)短路時(shí)將立即觸發(fā)單極閉鎖，瞬時(shí)短路電流持續(xù)時(shí)間短，因此，一般以交流側(cè)的短路電流來考核接地網(wǎng)的接地電阻。

3.3 避雷線的分流

根據(jù)文獻(xiàn)[7]給出的計(jì)算方法，當(dāng)考慮線路避雷線的分流效應(yīng)后，接地網(wǎng)入地短路電流如表5所示。

表5 入地短路電流(考慮分流系數(shù)后)

根據(jù)文獻(xiàn)[8]表B.0.3，取系統(tǒng)參數(shù)X/R=20，故障時(shí)延tf=0.35 s，則故障衰減系數(shù)Df=1.1。

因此，換流站最大接地故障不對(duì)稱電流有效值為

IG=max(Ig,in，Ig,out)×Df=24.41 kA

(8)

4 接地網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算

4.1 接地體截面選擇

接地引下線熱穩(wěn)定截面按式(9)選取[8]。

(9)

式中：te為短路的等效持續(xù)時(shí)間，取0.35 s；c為接地線材料的熱穩(wěn)定系數(shù)，銅材取c=249；Id為短路電流，kA，考慮遠(yuǎn)期電網(wǎng)發(fā)展，取系統(tǒng)最大短路電流水平63 kA。

代入計(jì)算得接地引下線最小熱穩(wěn)定截面為Sg為149.7 mm2。水平接地網(wǎng)熱穩(wěn)定截面按0.75Sg，取112.3 mm2?？紤]到銅材料的腐蝕，換流站水平接地網(wǎng)選擇150 mm2鍍錫銅絞線，引下線選擇-50×4 mm的鍍錫銅排，垂直接地體采用直徑17.2 mm、長2.5 m的鍍銅鋼棒。

4.2 接地電阻計(jì)算

接地電阻計(jì)算[8]如式(10)。

(10)

式中：ρ為土壤電阻率，取186.42 Ω·m；S為站址面積，取275 000 m2。

計(jì)算得接地電阻值為0.178 Ω。

在采取一系列措施后[8]，接地電阻限制值按式(11)計(jì)算。

(11)

代入得Rlim=0.204 Ω。因此該項(xiàng)目接地電阻滿足要求。

4.3 安全電位校驗(yàn)

1)地電位升

由最大接地故障不對(duì)稱電流和接地電阻計(jì)算值相乘可得最大地電位升Ugpr為4.35 kV。

2)接觸電位差

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，計(jì)算接觸電位差限制值Ut為536 V，最大接觸電位差Utm為771 V，考慮人站在絕緣地坪上,地表土壤電阻率取ρs=5000 Ω·m，則可提升接觸電位差限制值Ut到1511 V。

因此，當(dāng)人站在土壤地表時(shí)，本站最大接觸電位差不滿足要求；當(dāng)人站在絕緣地坪上時(shí)滿足要求。故要求在運(yùn)行人員需要日常操作的區(qū)域設(shè)置絕緣地坪。

3)跨步電位差

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，計(jì)算跨步電位差限制值為Us為1291 V，最大跨步電位差Usm為317 V。因此，本站最大跨步電位差滿足要求。

4)軟件仿真

采用CYMGrd軟件對(duì)接地網(wǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，安全電位仿真值分別如圖5和圖6所示?？煽闯鲕浖抡娴慕佑|電位差和跨步電位差與計(jì)算結(jié)果基本一致。

圖5 安全電位仿真值(未采用絕緣地坪)

圖6 安全電位仿真值(采用絕緣地坪)

5 結(jié) 語

上面研究了±1100 kV分層接入交流系統(tǒng)的特高壓換流站短路電流計(jì)算方法及接地網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)，得到的主要結(jié)論如下：

1)換流站短路電流計(jì)算應(yīng)選取三相短路、兩相短路、兩相接地、單相短路分別計(jì)算，其中三相短路、兩相短路屬于對(duì)稱短路，用于校驗(yàn)設(shè)備選型；兩相接地、單相短路屬于不對(duì)稱短路，用于校驗(yàn)接地網(wǎng)設(shè)計(jì)。

2)對(duì)于交流分層接入電網(wǎng)的換流站，要考慮不同的交流母線短路點(diǎn)，分別計(jì)算站內(nèi)、站外短路的情況，并在考慮避雷線分流系數(shù)和故障衰減系數(shù)后，取最大值作為最大接地故障不對(duì)稱電流。

3)接地網(wǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)校驗(yàn)接地體熱穩(wěn)定、安全電位、接地電阻控制指標(biāo)，其中安全電位包括地電位升、跨步電位差、接觸電位差。最大接地故障不對(duì)稱電流下的地電位升不超過5000 V，這一數(shù)值決定了全站接地電阻的控制值。