提高500 kV變電站220 kV母線短路水平問題的研究

雷 錚， 王 魁， 李媛媛， 張?zhí)煊睿?宋 佳

(國網(wǎng)天津市電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院， 天津 300100)

0 引言

隨著城市電網(wǎng)快速建設(shè)和發(fā)展，系統(tǒng)短路水平不斷增大。在電網(wǎng)發(fā)展初期暫態(tài)穩(wěn)定問題比較突出時，提高短路水平是完全必要的。但是隨著電網(wǎng)的發(fā)展，暫態(tài)穩(wěn)定問題可能不再是限制電網(wǎng)運行方式的主要矛盾，為了保障電網(wǎng)的安全運行，需要采取一定的措施控制短路電流水平在設(shè)備允許范圍內(nèi)。根據(jù)相關(guān)研究成果，天津電網(wǎng)在不采取針對性措施的情況下，若干500 kV站及220 kV站的220 kV母線的短路水平均接近甚至超過50 kA。

解決短路電流問題主要有兩種措施。一是采取限制短路電流的措施，如電網(wǎng)分區(qū)運行、采用高阻抗變壓器、變壓器中性點加裝小電抗、控制電廠接入方式及提高升壓變阻抗等；二是直接更換開關(guān)設(shè)備，提高開關(guān)額定遮斷容量。目前，多數(shù)控制短路電流的研究主要基于限制短路電流這一措施，對直接更換開關(guān)設(shè)備這一措施研究較少。

本文基于提高開關(guān)額定遮斷容量這一措施，針對500 kV站的220 kV母線選用抗短路水平63 kA的設(shè)備開展研究。

1 分區(qū)220 kV短路電流最大點辨識

找出220 kV分區(qū)電網(wǎng)的短路電流最大點，研究短路電流最大點可能出現(xiàn)的地方，對于研究和控制系統(tǒng)短路水平具有重要意義。本文所述的220 kV分區(qū)電網(wǎng)的電源是指500 kV變壓器和220 kV電廠。對于單電源220 kV分區(qū)電網(wǎng)(僅從一個500 kV站接受電能)，容易證明，500 kV變電站的220 kV母線必然為該分區(qū)內(nèi)的短路電流最大點，離電源越遠，短路電流越小。以下重點證明多電源的情況。多電源分區(qū)如圖1所示。

圖1 多電源分區(qū)示意圖

電源Gi的220 kV側(cè)Ai、中間節(jié)點B的三相短路電流分別為：

(1)

(2)

式中IAi及IB分別為電源Gi的220 kV側(cè)母線及中間節(jié)點B的220 kV母線短路電流；XGi、XLi分別為電源Gi的發(fā)電機阻抗、電源Gi到及中間節(jié)點B的阻抗。

2 提高500 kV站220 kV母線短路水平的影響分析

2.1 對500 kV短路水平的影響

500 kV變電站的500 kV母線短路電流主要由兩部分組成：一是通過500 kV電網(wǎng)注入的短路電流；二是從220 kV側(cè)通過變壓器注入的短路電流,如圖2所示。本小節(jié)探討由于220 kV電廠的接入或合上某些220 kV聯(lián)絡(luò)線，導(dǎo)致500 kV站220 kV母線短路水平提升的同時，對500 kV母線短路水平的影響。

圖2 500 kV站接入系統(tǒng)示意圖

假定500 kV變電站內(nèi)兩個500 kV變壓器并列運行，高、中壓側(cè)短路阻抗為14%。不考慮通過500 kV電網(wǎng)注入的短路電流，容易得到，單臺主變?nèi)萘縎分別為1 200 MVA、801 MVA和750 MVA時，500 kV母線短路電流I500隨220 kV母線短路電流I220的變化趨勢如圖3所示。

圖3可以看出，I500隨著I220的不斷增大而增大，但變化速率逐漸減小。在高中壓阻抗相同的情況下，變壓器容量越大，I500越大。當220 kV母線短路水平由50 kA提高至63 kA時，500 kV側(cè)短路水平將提升0.6～1.1 kA。

圖3 I500隨I220的變化曲線

2.2 對相鄰220 kV站短路水平的影響

假定圖4(a)中500 kV站的220 kV母線E短路水平為50 kA，合上某些聯(lián)絡(luò)線后短路水平提高至63 kA，如圖4(b)所示。本小節(jié)驗證500 kV站220 kV母線E短路水平的提高對相鄰220 kV站(如節(jié)點B)短路水平的影響。設(shè)500 kV變電站內(nèi)由兩個主變?nèi)萘繛?50 MVA的變壓器并列運行，高、中壓側(cè)短路阻抗為14%，通過500 kV電網(wǎng)注入到500 kV母線短路電流為60 kA，假定節(jié)點B、C均通過雙回2×LGJ- 630線路連接至500 kV站。

圖4 500 kV站接入對相鄰站影響系統(tǒng)接線示意圖

情形1假定L1和L2側(cè)均有電源，易得知有以下幾式成立：

(3)

(4)

式中X500為500 kV側(cè)系統(tǒng)的等效電抗；XT為變壓器的等值電抗；XL1、XLM、XL2、XL3分別為節(jié)點B至E之間的線路電抗、B至F之間的線路電抗、C至E之間的線路電抗、D至E之間的線路電抗。

合上聯(lián)絡(luò)線L3后，節(jié)點B的短路電流增加值為：

(5)

(6)

ΔIB隨節(jié)點B連接至500 kV站距離的變化趨勢如圖5情形1所示。隨著距離的增加，ΔIB不斷減小，且變化速率逐漸減小。當距離為0時，節(jié)點B就是500 kV站的220 kV母線，短路電流顯然增加13 kA；當距離分別為5 km、10 km、20 km、30 km，短路電流分別增加8.54 kA、6.04 kA、3.48 kA、2.26 kA。

圖5 ΔIB隨與500 kV站距離的變化曲線

情形2線路L1側(cè)有電源，線路L2側(cè)無電源，可求得節(jié)點B的短路電流增加值為：

(7)

ΔIB隨節(jié)點B連接至500 kV站距離的變化趨勢如圖5情形2所示。當距離分別為5 km、10 km、20 km、30 km，短路電流分別增加9.67 kA、7.49 kA、4.88 kA、3.43 kA。

情形3線路L1側(cè)無電源，線路L2側(cè)有電源，可求得節(jié)點B的短路電流增加值為：

(8)

ΔIB隨節(jié)點B連接至500 kV站距離的變化趨勢如圖5情形3所示。當距離分別為5 km、10 km、20 km、30 km，短路電流分別增加7.59 kA、4.97 kA、2.61 kA、1.60 kA。

隨著500 kV站220 kV母線短路水平的提高，其他相鄰220 kV站短路水平會相應(yīng)提高；距500 kV站越近，短路水平增加越大，短路水平增加值與距500 kV站的距離大致呈負指數(shù)關(guān)系。情形2和情形3為情形1的兩種極端情形，二者所得到的短路電流增加值也是兩個極值。500 kV站220 kV母線短路水平從50 kA提高至63 kA，當220 kV站與500 kV站的距離分別為5 km、10 km、20 km、30 km時，220 kV站的220 kV母線短路電流分別增加7.59～9.67 kA、4.97～7.49 kA、2.61～4.88 kA、1.60～3.43 kA。

需要特別說明的是，所合上的聯(lián)絡(luò)線L3側(cè)一系列220 kV站的短路電流會大幅上升，其增加值可能超過相應(yīng)500 kV站220 kV母線短路電流增加值，并可能超過其開關(guān)額定遮斷容量。

根據(jù)天津電網(wǎng)相關(guān)規(guī)劃研究成果，可得不同情況下濱海500 kV站附近站點的220 kV三相短路電流如表1所示。在2020年將濱海220 kV母線選用抗短路水平63 kA的斷路器，則2020年可以合上創(chuàng)業(yè)至漢沽雙回線，而不會引起其他站點短路水平超標。但是到2023年，如果繼續(xù)合上該聯(lián)絡(luò)線，濱海220 kV母線短路水平將達到65 kA，同時米蘭、鄱陽路和海門短路水平均超標，此時又必須斷開先前合上的聯(lián)絡(luò)線。如果采取斷開創(chuàng)業(yè)至漢沽雙回線以及萬年橋至米蘭雙回線，則表中所有站點220 kV母線短路電流均控制在50 kA以下。

表1 濱海500 kV站附近站點220 kV短路水平 單位:kA

2.3 對110 kV和35 kV短路水平的影響

220 kV變電站的110 kV母線短路電流主要由兩部分組成：一是從220 kV側(cè)通過變壓器注入的短路電流；二是由接入110 kV的電廠通過110 kV電網(wǎng)注入的短路電流。這里探討220 kV側(cè)短路水平的提升對110 kV側(cè)短路水平的影響，所采用的220 kV變壓器容量為240 MVA，各側(cè)阻抗分別為u12=14%，u13=23%，u23=8%。假定接入110 kV電網(wǎng)的發(fā)電機次暫態(tài)直軸電抗Xd″=0.183，額定功率因數(shù)為0.86，變壓器短路百分比為XGT=12%，容載比為1.05。該電廠通過5 km雙回線接入變電站的110 kV母線，單回線電抗為0.4 Ω/km。設(shè)接入110 kV的發(fā)電機容量為S110。兩臺220 kV主變110 kV側(cè)分列運行，則110 kV側(cè)短路電流為：

(9)

當220 kV側(cè)系統(tǒng)短路電流I220從50 kA變化至63 kA過程中，在110 kV側(cè)接入不同容量的小電源情況下，110 kV側(cè)短路電流I110變化如圖6所示。

圖6 I110隨I220短路水平的變化曲線

當220 kV變壓器的220 kV側(cè)短路水平從50 kA提高至63 kA時，110 kV側(cè)是否并列、有無小電源(接入110 kV側(cè)100 MW的電源)共四種情況下的110 kV和35 kV的短路電流如表2所示。

表2 中低壓側(cè)短路電流 單位:kA

從表中可以看出，220 kV側(cè)短路水平從50 kA提高至63 kA，不考慮110 kV側(cè)接入電源情況下，在110 kV分列和并列運行兩種情況下，110 kV側(cè)短路水平分別提高0.14 kA和0.50 kA，35 kV側(cè)短路水平分別提高0.18 kA和0.37 kA；考慮110 kV側(cè)接入100 MW電源情況下，在110 kV分列和并列運行時，110 kV側(cè)短路水平分別提高0.15 kA和0.47 kA，35 kV側(cè)短路水平分別提高0.15 kA和0.33 kA。由此可見，變電站220 kV側(cè)短路水平從50 kA提高至63 kA，對110 kV側(cè)和35 kV側(cè)短路水平影響不大。

2.4 對分區(qū)規(guī)模的影響

500 kV站的220 kV母線短路電流主要由兩部分組成：一是從500 kV側(cè)通過變壓器注入的短路電流；二是由接入220 kV的電廠通過220 kV電網(wǎng)注入的短路電流。500 kV主變高、中壓側(cè)短路比為14%。假定一個分區(qū)內(nèi)僅含一個500 kV站，通過500 kV電網(wǎng)注入到500 kV母線短路電流為60 kA。分區(qū)內(nèi)電源有20%的容量在距500 kV站10 km處接入，60%的容量在20 km處接入，20%的容量在40 km處接入?？傻媒尤?20 kV的發(fā)電機容量S220和由S220注入到500 kV站220 kV母線的短路電流I220之間的關(guān)系如下圖7所示。

圖7 I220隨S220的變化曲線

針對不同的220 kV系統(tǒng)等值阻抗，按照上述方法可以得到相應(yīng)的220 kV側(cè)裝機容量，由此可以確定分區(qū)供電能力。分區(qū)可供最大負荷=(N-1)×單臺主變?nèi)萘俊?.3×0.9+220 kV側(cè)允許裝機×(1～10%)。根據(jù)上述計算方法，可得500 kV站220 kV開關(guān)遮斷容量按50 kA控制時分區(qū)供電能力如表3所示。

表3 220 kV開關(guān)容量按50 kA控制時分區(qū)供電能力

按照類似方法，可得500 kV站220 kV開關(guān)遮斷容量按63 kA控制時分區(qū)供電能力如表4所示。

表4 220 kV開關(guān)容量按63 kA控制時分區(qū)供電能力

綜上，提高500 kV站220 kV母線短路水平，可以提高分區(qū)供電能力。220 kV開關(guān)遮斷容量按63 kA控制相對于按50 kA控制時，分區(qū)供電能力大約提高1 800～2 600 MW。但是所得到的分區(qū)供電能力僅考慮了500 kV站220 kV母線的短路水平，而沒有考慮分區(qū)內(nèi)其他站點的短路水平是否超標，因此500 kV站220 kV母線的短路水平由50 kA提高至63 kA后，計算得到的分區(qū)供電能力較為樂觀。然而需要指出的是，在高一級電壓電網(wǎng)建成以后低一級電壓電網(wǎng)實行分層分區(qū)的運行方式，不僅僅是為了降低短路水平，同時也是為了防止因負荷轉(zhuǎn)移引起電網(wǎng)惡性連鎖反應(yīng)事故。合理的分區(qū)規(guī)模對于簡化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、縮小故障范圍、有效控制系統(tǒng)潮流、優(yōu)化無功電壓均具有重要的意義。

2.5 對設(shè)備裝備的影響

系統(tǒng)短路水平上限值的選擇決定了開關(guān)設(shè)備的開斷容量、開關(guān)設(shè)備及變電站各元件(母線、導(dǎo)線、接地網(wǎng)、支持瓷瓶等)的熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定、對通信線路的干擾程度、以及接地網(wǎng)的接觸和跨步電壓等。在電力系統(tǒng)的發(fā)展初期階段，短路水平較低，此時站內(nèi)其他設(shè)備往往有足夠的裕度。然而當系統(tǒng)短路水平已經(jīng)很高時，如果直接采取更換斷路器的方法，還需要對站內(nèi)其他設(shè)備進行校驗甚至加強或更換，如主變壓器、隔離開關(guān)、互感器、母線、瓷瓶、架構(gòu)、基礎(chǔ)、接地網(wǎng)等。

3 結(jié)論

基于上述研究，得出如下結(jié)論：

(1)500 kV站的220 kV母線往往是電網(wǎng)的密集交匯點，在實際電網(wǎng)中，該母線一般為220 kV電網(wǎng)分區(qū)中短路電流最大點。

(2)500 kV站220 kV母線短路水平的提高，會帶動分區(qū)內(nèi)220 kV站短路水平的提升。220 kV站短路水平增加值與其距500 kV站的距離大致呈負指數(shù)關(guān)系。

(3)提高部分500 kV站220 kV母線短路水平后，合上某些聯(lián)絡(luò)線現(xiàn)階段可能不會導(dǎo)致其他220 kV站短路水平超標，但隨著電網(wǎng)和電源的快速建設(shè)和發(fā)展，220 kV站的220 kV母線短路水平不斷提升，可能會超過其額定遮斷容量；部分已提高至63 kA的500 kV站220 kV母線的短路水平也可能突破63 kA。

(4)220 kV側(cè)短路水平的提高，會引起500 kV、110 kV和35 kV側(cè)短路水平的提升，但影響幅度均較小，同時會在一定程度上提升分區(qū)規(guī)模。

當系統(tǒng)短路水平已經(jīng)很高時，如果直接采取更換斷路器的方法，還需要對站內(nèi)其他設(shè)備進行校驗甚至加強或更換，如主變壓器、隔離開關(guān)、互感器、母線、瓷瓶、架構(gòu)、基礎(chǔ)、接地網(wǎng)等。

鑒于上述研究，對于天津電網(wǎng)的部分變電站短路電流超標問題，不建議將500 kV變電站的220 kV設(shè)備短路水平提高至63 kA，建議通過采用合理分區(qū)運行、斷開分區(qū)內(nèi)部分聯(lián)絡(luò)線、合理引導(dǎo)電源并網(wǎng)等方式控制短路水平在合理范圍內(nèi)。

解決電網(wǎng)短路水平整體偏高問題是一個系統(tǒng)工程，應(yīng)從全網(wǎng)、全系統(tǒng)、全局的角度綜合分析研究，電網(wǎng)分區(qū)是有效降低系統(tǒng)整體短路水平的經(jīng)濟措施之一。對于500 kV站220 kV母線是否選用63 kA斷路器，應(yīng)該針對實際中的具體電網(wǎng)統(tǒng)籌考慮，慎重研判，確保系統(tǒng)安全可靠經(jīng)濟運行。