電源密集型大級差電網(wǎng)短路電流超標(biāo)綜合治理方案

陳偉，樊艷芳，張鋒，王衡，高文森

(1.新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 烏魯木齊 830047； 2. 國網(wǎng)新疆電力公司電力調(diào)度控制中心，烏魯木齊 830002；3.國網(wǎng)烏魯木齊供電公司， 烏魯木齊 830011)

0 引 言

隨著新疆電網(wǎng)的快速發(fā)展，“兩直兩交”的電力外送通道、大量自備電廠及外送電力配套電源已經(jīng)投運(yùn)，其中吉泉直流配套火電機(jī)組為13.2 GW，烏北、五彩灣、五家渠片區(qū)的自備電廠裝機(jī)為10.82 GW，哈密、煙墩、達(dá)坂城地區(qū)為我國的千萬級風(fēng)電基地，同時新疆電網(wǎng)電壓等級由220 kV躍升至750 kV。結(jié)合新疆電網(wǎng)電源密集型及大級差的特征，造成電網(wǎng)區(qū)域短路電流水平超過斷路器額定遮斷容量，嚴(yán)重威脅到新疆電網(wǎng)和交直流混合外送通道的穩(wěn)定。因此，采取有效的短路電流限制措施對保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行等具有重要的意義[1-6]。

文獻(xiàn)[7-10]提出的各個電網(wǎng)短路電流超標(biāo)原因均為電源集中接入、且電氣距離短。目前，針對限制短路電流的措施，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做出了一定的研究。文獻(xiàn)[11-14]提出的作用于電網(wǎng)的限流措施，均是通過增加阻抗達(dá)到限流的目的，無論在正常運(yùn)行狀態(tài)還是故障狀態(tài)阻抗始終作用于線路中。文獻(xiàn)[15-18]從電網(wǎng)具體情況出發(fā)，將各變電站進(jìn)行母線分列運(yùn)行，以減小系統(tǒng)各側(cè)的短路電流。文獻(xiàn)[19-23]從具體電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和采取高阻抗設(shè)備角度出發(fā)，可解決小范圍的短路電流超標(biāo)問題。上述文獻(xiàn)主要是從網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和增加系統(tǒng)阻抗兩方面對500 kV/330 kV及以下的電網(wǎng)進(jìn)行研究，但對于750 kV/220 kV電網(wǎng)層面的短路電流限制措施研究較少?；诖耍槍?50 kV/220 kV的新疆電網(wǎng)大級差及密集型電源的特點，上述文獻(xiàn)提出的限流措施應(yīng)用將會大幅增加線路損耗且隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，在新疆電網(wǎng)的應(yīng)用中存在適應(yīng)性問題。

文中結(jié)合新疆電網(wǎng)目前網(wǎng)架的特點，并考慮交直流外送通道的負(fù)荷需求日益增大情況，分析目前短路電流增大的原因與趨勢，采取優(yōu)化運(yùn)行方式安排、主變中性點增裝小電抗和應(yīng)用新型限流技術(shù)等措施，考慮到新疆電網(wǎng)的適應(yīng)性和投資經(jīng)濟(jì)性問題，提出短路電流綜合治理方案，對限制新疆電網(wǎng)短路電流水平超標(biāo)問題具有一定借鑒作用。

1 新疆電網(wǎng)概況

新疆電網(wǎng)以750 kV與220 kV交流系統(tǒng)為主的骨干網(wǎng)架，110 kV與35 kV交流系統(tǒng)為輔的全區(qū)域覆蓋輸配電網(wǎng)絡(luò)。隨著±1 100 kV吉泉特高壓直流的投運(yùn)，新疆電網(wǎng)形成“兩直兩交”外送四通道，疆電外送能力得到大幅提升；疆內(nèi)形成“三環(huán)網(wǎng)、兩延伸”的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，使得外送電力組織和疆內(nèi)地區(qū)間電力資源優(yōu)化配置能力、局部地區(qū)供電可靠性和供電能力進(jìn)一步提升[24-25]。新疆電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 750 kV/220 kV新疆電網(wǎng)網(wǎng)架Fig.1 750 kV/220 kV Xinjiang power grid framework

圖1中，區(qū)域A為大量的自備電廠和吉泉直流外送配套電源；區(qū)域B為新疆負(fù)荷中心烏昌城網(wǎng)；區(qū)域C為國家千萬級風(fēng)電基地，新疆烏魯木齊、昌吉、達(dá)坂城、五彩灣等東北部區(qū)域，其負(fù)荷需求較大，自備電廠和外送配套電源集中密集，其用電負(fù)荷主要集中在烏昌城網(wǎng)區(qū)域，電源分布情況主要為東北部火電、哈密地區(qū)風(fēng)電、直流配套火電等。

750 kV塔城輸變電工程的投運(yùn)，提高了西部盈余電力外送能力；750 kV五家渠變及達(dá)坂城變二期配出工程的先后投運(yùn)，烏昌城網(wǎng)750 kV分區(qū)供電結(jié)構(gòu)日趨完善；750 kV吐哈雙線改接工程投運(yùn)后，750 kV哈密東環(huán)網(wǎng)和疆電外送斷面的送電能力得到持續(xù)提升，新疆東部地區(qū)的電力組織和互供能力也得到進(jìn)一步加強(qiáng)；±1 100 kV吉泉特高壓直流的投運(yùn)，疆電外送能力得到明顯提升，有利于疆內(nèi)能源的消納和各類電源的互為支撐和備用。

2 短路電流計算與分析

結(jié)合新疆電網(wǎng)網(wǎng)架架構(gòu)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在中國電科院研發(fā)的綜合分析程序PSASP 7.3上搭建仿真模型，并計算在全接線全開機(jī)的運(yùn)行方式下短路電流超標(biāo)情況，計算結(jié)果如表1所示。

表1 新疆電網(wǎng)短路電流計算結(jié)果Tab.1 Short-circuit current calculation results of Xinjiang power grid

由表1分析可知，短路電流超標(biāo)的場站一共有5座，均為750 kV變電站的220 kV母線處，結(jié)合新疆電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，預(yù)計2019年新疆電網(wǎng)新增裝機(jī)0.333 GW，總裝機(jī)容量為89.5 GW，且新增裝機(jī)大部分為外送配套電源，區(qū)域內(nèi)電源較為集中且電氣距離短，結(jié)合新疆電網(wǎng)電壓級差大的特點，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)的短路電流水平持續(xù)攀升，進(jìn)而造成短路電流接近甚至超過斷路器的額定遮斷容量。因此，采取有效的短路電流限制措施對保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行等具有重要的意義。

3 適用于新疆電網(wǎng)的短路電流治理方案研究

短路電流的限制措施可以分為兩類：(1)是從電路的基本原理出發(fā)，通過增加線路的阻抗來達(dá)到限制短路電流的效果，如加裝串抗、采用高阻抗變壓器和主變中性點加小電抗等；(2)是優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行方式降低電網(wǎng)短路電流水平。目前的限流新技術(shù)故障限流器、快速旁路開關(guān)也是通過增加線路阻抗達(dá)到限流效果，與傳統(tǒng)的限流裝置區(qū)別在于正常運(yùn)行狀況下阻抗近乎為零且不會影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

3.1 750 kV/220 kV優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行方式

電磁環(huán)網(wǎng)在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中能夠減小備用容量，增強(qiáng)電網(wǎng)之間的互助作用，提高供電可靠性，但極易造成短路電流超標(biāo)問題，降低電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行方式的主要措施是電網(wǎng)分層分區(qū)運(yùn)行，對現(xiàn)有的電磁環(huán)網(wǎng)進(jìn)行解環(huán)，以減少向短路點提供短路電流的發(fā)電機(jī)數(shù)量，從而有效限制短路電流。

但對電磁環(huán)網(wǎng)進(jìn)行解環(huán)運(yùn)行，會降低電網(wǎng)的供電靈活性和可靠性，所以在對電網(wǎng)進(jìn)行解環(huán)點選擇時，應(yīng)充分考慮各方面的影響因素，最終制定出一套合理的解環(huán)方案。750 kV/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)方案制定的流程如圖2所示。

圖2 解環(huán)方案制定流程圖Fig.2 Electromagnetic solution loop flow chart

圖2中，首先需要確定基本運(yùn)行方式，選定計算程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)包的搭建，統(tǒng)計、計算、分析待研究電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、裝機(jī)容量、變電站信息，負(fù)荷水平等情況。其次計算全接線全開機(jī)狀況下短路電流水平，確定短路電流超標(biāo)情況，對超標(biāo)區(qū)域進(jìn)行潮流、穩(wěn)定計算，重點分析電磁環(huán)網(wǎng)，若出現(xiàn)安全問題或過載情況，進(jìn)行電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)，形成初步解環(huán)方案。最后計算初步解環(huán)后的短路電流水平，校核主變負(fù)載率、線路N-1和嚴(yán)重故障穩(wěn)定情況，進(jìn)行安全穩(wěn)定和供電可靠性分析，針對不足之處進(jìn)行解環(huán)方案的修改，最終形成解環(huán)方案。

3.2 750 kV/220 kV自耦變壓器中性點加小電抗

變壓器中性點加小電抗，對于三相故障短路電流沒有限制效果，但對于不對稱故障短路電流效果明顯，圖3給出了變壓器中性點經(jīng)小電抗接地自耦變壓器及零序等值電路原理圖。

圖3 自耦變壓器及零序等值原理圖Fig.3 Schematic diagram of autotransformer and zero-sequence equivalent

圖3(a)中，I、II、III分別表示變壓器的高壓側(cè)、中壓側(cè)、低壓側(cè)3個繞組，設(shè)X1、X2、X3為變壓器中性點直接接地時高壓側(cè)、中壓側(cè)、低壓側(cè)的零序等值電抗，中性點經(jīng)小電抗接地后的變壓器高壓側(cè)、中壓側(cè)、低壓側(cè)的零序等值電抗為如圖3(b)所示的X1、X2、X3。中性點經(jīng)小電抗接地時自耦變壓器高壓側(cè)、中壓側(cè)、低壓側(cè)等值零序電抗分別為：

(1)

式中k為自耦變壓器高壓側(cè)、中壓側(cè)額定電壓比；Xn為變壓器中性點接地電抗值，當(dāng)Xn=0，即變壓器中性點直接接地時，中壓側(cè)母線單相短路電流很大。當(dāng)中性點經(jīng)小電抗Xn接地后，中壓側(cè)零序電抗增加顯著，從而對中壓側(cè)單相短路電流能夠有效限制。

根據(jù)國標(biāo)GB/T 50064-2014《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定，變壓器中性點經(jīng)電抗器接地時，其電抗值Xn與變壓器正序電抗值之比小于等于1/3，因此界定了Xn的取值范圍。

3.3 新型限流設(shè)備

目前國際上較為前沿的新型限流設(shè)備超導(dǎo)型故障限流器(Superconducting Fault Current Limiter, SFCL)，具有正常運(yùn)行無阻、故障高阻及自動恢復(fù)的特性，如圖4所示，電網(wǎng)正常運(yùn)行過程中，觸發(fā)線圈R∞處于超導(dǎo)態(tài)，由其交流損耗和漏感決定的阻抗很小，近乎為零，線路電流全部流經(jīng)R∞，當(dāng)發(fā)生故障時R∞以高阻抗的形式接入電網(wǎng)中，故障電流被轉(zhuǎn)換到限制電阻Zp中去，從而限制了故障短路電流。在選擇SFCL時，選擇同電壓等級下的即可。由于SFCL造價較高且只能限制單條加裝SFCL的線路向短路點提供的短路電流，在治理短路電流的過程中，應(yīng)將此類方法放到所有治理方法的最后進(jìn)行考慮。

圖4 SFCL等效電路圖Fig.4 SFCL equivalent circuit diagram

4 短路電流限制措施綜合應(yīng)用

由第2節(jié)可知，新疆電網(wǎng)部分區(qū)域短路電流超標(biāo)嚴(yán)重，若采取單一的措施限制短路電流，無法將短路電流限制在斷路器的額定遮斷容量范圍之內(nèi)，需綜合分析短路電流的超標(biāo)情況，在前一個限制措施的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對仍存在超標(biāo)現(xiàn)象的區(qū)域進(jìn)行控制，制定出一套綜合治理新疆電網(wǎng)短路電流的方案。

4.1 新疆750 kV/220 kV電磁解環(huán)方案分析

在全接線全開機(jī)的運(yùn)行方式下，其中烏北片區(qū)短路電流達(dá)到了91.8 kA，嚴(yán)重超過了斷路器的額定遮斷容量，如直接采取加裝限流設(shè)備等措施限制短路電流，將不能大規(guī)?？刂贫搪冯娏髑彝顿Y巨大，對現(xiàn)有的電磁環(huán)網(wǎng)進(jìn)行解環(huán)運(yùn)行，可大規(guī)模控制短路電流，對短路電流超標(biāo)區(qū)域的發(fā)電廠和用電負(fù)荷分布情況進(jìn)行具體分析，兼顧主網(wǎng)潮流，具體的電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)方式如圖5所示，在電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)運(yùn)行后，短路電流計算結(jié)果見表2。

表2 解環(huán)后計算結(jié)果Tab.2 Calculation result after unwinding

由表2可以看出，通過電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)的運(yùn)行方式，可將大部分區(qū)域的短路電流限制在斷路器額定遮斷容量范圍內(nèi)，存在部分區(qū)域的短路電流通過電磁解環(huán)方式無法將短路電流限制在斷路器額定遮斷容量范圍內(nèi)，還需要采取其它的限制措施進(jìn)行限制。

圖5 750 kV/220 kV電磁解環(huán)方案Fig.5 750 kV/220 kV electromagnetic loop solution

4.2 新疆750 kV/220 kV自耦變中性點加裝小電抗

在優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行方式下，部分區(qū)域的短路電流得不到有效地控制，且單相短路電流遠(yuǎn)大于三相短路電流，綜合考慮限制短路電流的措施，對變壓器中性點加裝小電抗雖只能限制不對稱短路故障電流，但效果明顯，對于不對稱短路故障電流超標(biāo)嚴(yán)重的區(qū)域應(yīng)當(dāng)采取此類措施加以限制，由第2.2節(jié)提到的變壓器中性點小電抗參數(shù)選擇規(guī)范，結(jié)合實際的主變參數(shù)，選擇最符合實際情況的小電抗值，達(dá)坂城變和五家渠變的參數(shù)相同，具體參數(shù)為：額定容量1 500 MVA，接線組別：YNa0d11，短路電壓(以高壓側(cè)額定電壓為基準(zhǔn))：Uk-gz=19.02%，Uk-gd=45.45%，Uk-zd=22.21%，中性點直接接地時，零序阻抗參數(shù)為X1=0.007 04，X2=0.000 7，X3=0.008 11，中性點小電抗Xn的取值范圍Xn≤27 Ω，分別對Xn取5 Ω、10 Ω、12 Ω、15 Ω、20 Ω，此時短路電流限制效果如表3所示。

表3 達(dá)坂城變220 kV母線在不同阻值下的短路電流變化Tab.3 Short-circuit current suppression effect under different resistance values

由表3可以看出，變壓器中性點小電抗的取值在12 Ω最為合適，在達(dá)坂城和五家渠主變中性點均安裝12 Ω的小電抗，短路電流計算結(jié)果如表4所示。

由表4可得，通過對單相短路電流超標(biāo)的變電站加裝變壓器中性點小電抗，可有效抑制單相短路電流，在優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行方式和主變中性點加裝小電抗后，還存在五彩灣變、五家渠變的三相短路電流略微超標(biāo)。

4.3 新型限流技術(shù)在新疆電網(wǎng)的應(yīng)用

2.3節(jié)提到的SFCL是一種新型限流設(shè)備，在短路電流超標(biāo)的區(qū)域采取此類方法進(jìn)行短路電流治理的過程中，應(yīng)結(jié)合電網(wǎng)的實際網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和電廠的裝機(jī)規(guī)模，對設(shè)備的具體安裝位置進(jìn)行分析，因SFCL在故障下表現(xiàn)為高阻抗的狀態(tài)，在故障發(fā)生時，可近似地將SFCL看作為一個阻抗值很大的限流電抗器串接在線路中，對于220 kV變電站輻射型接入750 kV變電站的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，模擬分析SFCL分別接入每一條220 kV線路中對短路電流抑制效果，以五家渠地區(qū)為例，將SFCL分別接入220 kV線路，此時短路電流限制效果如表5所示。

通過表5可以看出，將SFCL安裝在信發(fā)三期與五家渠變的220 kV聯(lián)絡(luò)線上，效果最明顯，對短路電流助增量進(jìn)行分析后可知，信發(fā)三期向五家渠變220 kV母線提供的短路電流最大，因此限流效果最明顯。由此可得，將SFCL安裝在向短路點提供短路電流最大的交流輸電線路上效果最明顯，在五彩灣片區(qū)，彩虹變向五彩灣220 kV母線提供的短路電流最大，將SFCL安裝在彩虹變至五彩灣變的220 kV輸電線路中，此時短路電流計算結(jié)果如表6所示。

表6 安裝SFCL后短路電流計算結(jié)果Tab.6 Short-circuit current calculation result after installing SFCL

4.4 綜合限短措施下的穩(wěn)定性分析

通過圖6可以看出，在綜合限制措施的應(yīng)用下，短路電流得到了明顯的控制，均限制在斷路器遮斷容量范圍內(nèi)，通過PSASP對短路電流限制前與限制后的電網(wǎng)電壓穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定、小干擾穩(wěn)定進(jìn)行對比計算分析，可以得到限制前后的電網(wǎng)穩(wěn)定性得到了明顯的提高，更有利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6 短路電流限制前后的數(shù)據(jù)對比Fig.6 Data comparison before and after short-circuit current limitation

5 結(jié)束語

針對新疆電網(wǎng)大級差及電源密集的特點，綜合考慮主網(wǎng)潮流和電力外送水平，分析適應(yīng)于新疆電網(wǎng)的短路電流抑制措施，得到以下結(jié)論：

(1)在全接線的運(yùn)行方式下，新疆電網(wǎng)短路電流超標(biāo)嚴(yán)重，如在全接線的方式下采取加裝限流裝置的措施進(jìn)行治理，將會異常艱難且投資巨大，應(yīng)先對運(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整；

(2)采用優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行方式后，短路電流總體下降明顯，但部分區(qū)域的短路電流仍無法得到有效控制；在考慮經(jīng)濟(jì)性的前提下，對超標(biāo)較大的單相短路電流進(jìn)行治理，選擇加裝主變中性點小電抗效果明顯且經(jīng)濟(jì)；

(3)在考慮優(yōu)化電網(wǎng)及加裝小電抗的基礎(chǔ)上，此時采用加裝SFCL的措施，可有效解決加裝小電抗方式難以解決的三相短路故障問題，同時可接納后續(xù)部分機(jī)組的投運(yùn)，可有效提高新疆電網(wǎng)的安全可靠性；

(4)在后續(xù)電網(wǎng)的規(guī)劃過程中，建議在電源密集區(qū)域建設(shè)多條送出線路，考慮不同區(qū)域的負(fù)荷分布情況，進(jìn)行功率疏散、調(diào)整，盡可能控制短路電流上升的水平。