布置于線路中部的500 kV獨(dú)立串抗站技術(shù)方案探討

曹 尹，李龍才，郭 勁，伍曉倫，李春梅

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都，610021；2.國網(wǎng)四川省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)容量的不斷增大，電網(wǎng)的短路電流水平迅速提高，需要采取措施進(jìn)行限制。目前，國內(nèi)500 kV電網(wǎng)限制短路電流的主要措施是在500 kV線路上裝設(shè)串聯(lián)限流電抗器[1-2]。一般情況下，500 kV串抗站應(yīng)緊鄰變電站設(shè)置，可與變電站共用水電等輔助設(shè)施，同時便于巡視檢修。但因各種原因，有些線路兩端的變電站無串抗站擴(kuò)建條件，需在500 kV線路沿線尋找場地進(jìn)行建設(shè)。

與緊鄰變電站布置的500 kV串抗站相比，布置于500 kV線路中部的獨(dú)立串抗站的電氣接線形式、站用電設(shè)計(jì)原則、接地設(shè)計(jì)原則均有其特殊性。下面依托四川500 kV尖彭串抗站的具體設(shè)計(jì)實(shí)例，通過對已建串抗站設(shè)計(jì)方案的調(diào)查研究，結(jié)合相關(guān)規(guī)程規(guī)范，并綜合網(wǎng)省公司運(yùn)行、調(diào)度等部門的要求，對在500 kV線路中部建設(shè)的獨(dú)立串抗站的電氣接線形式、設(shè)備型式、過電壓和絕緣配合、電氣布置方式、站用電方案及接地方案等技術(shù)原則進(jìn)行了探討；提出了適用于布置于線路中部的500 kV獨(dú)立串抗站的主要技術(shù)方案。

1 500 kV尖彭串抗工程

近年來，四川電網(wǎng)短路電流水平超標(biāo)問題日益突出。2020年尖山、東坡等500 kV變電站高壓側(cè)短路電流均已超過63 kA。為控制500 kV電網(wǎng)短路電流水平，提高成都負(fù)荷中心供電可靠性，需在尖山—彭祖500 kV線路加裝串聯(lián)電抗器，其額定阻抗值為28 Ω，額定電流為4000 A。

尖山500 kV變電站、彭祖500 kV變電站及尖彭500 kV線路均位于四川天府新區(qū)境內(nèi)，土地資源緊張，兩端變電站均不具備串抗站擴(kuò)建條件。通過與當(dāng)?shù)卣疁贤?，確定距彭祖站約3 km的洪塘南站址為串抗站唯一站址，尖彭串抗站需脫離尖山變電站和彭祖變電站單獨(dú)布置。

2 串抗站的接線型式

500 kV串抗站主要由串聯(lián)電抗器、避雷器、耦合電容器及其控制保護(hù)設(shè)備等主要元件構(gòu)成。根據(jù)調(diào)研情況，目前國內(nèi)已建或在建的8座500 kV串抗站中，其接線方案主要有以下兩種形式：

1)常規(guī)接線方案

串聯(lián)電抗器組串接于線路中，電抗器端部根據(jù)過電壓計(jì)算結(jié)果確定是否并聯(lián)對地耦合電容或并聯(lián)避雷器。為便于檢修及更改運(yùn)行方式，串聯(lián)電抗器兩端各設(shè)置一組隔離開關(guān)，同時在兩端檢修隔離開關(guān)外側(cè)設(shè)置旁路回路及1組旁路隔離開關(guān)。串抗站兩側(cè)出線各配置1組線路避雷器。該方案具體接線形式如圖1所示，圖中避雷器MOA根據(jù)過電壓計(jì)算結(jié)果研究是否安裝。

圖1 限流串抗站接線(采用隔離開關(guān))

2)簡化接線方案

簡化接線方案與常規(guī)接線方案類似，串聯(lián)電抗器組串接于線路中，設(shè)置旁路回路。但電抗器兩端不裝設(shè)檢修隔離開關(guān)，旁路回路不裝設(shè)旁路隔離開關(guān)。檢修及運(yùn)行方式切換通過設(shè)置可拆卸導(dǎo)線，用改接導(dǎo)線方式來實(shí)現(xiàn)。簡化方案具體接線形式如圖2所示，圖中避雷器MOA根據(jù)過電壓計(jì)算結(jié)果確定是否安裝。

圖2 限流串抗站接線(采用可拆卸導(dǎo)線)

根據(jù)調(diào)研情況(見表1)，在國內(nèi)已建或在建的8座500 kV串抗站中，有6座串抗站為緊鄰變電站布置方式，其接線形式均采用方案1所示常規(guī)接線方案。有2座為布置于線路中部的獨(dú)立串抗站，其接線形式有1座采用常規(guī)接線方案，另有1座采用簡化接線方案。

表1 已建串抗站接線形式調(diào)研情況

技術(shù)上，兩接線方案均設(shè)有旁路回路，在線路停電后，均可以實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電抗器接入線路運(yùn)行和串聯(lián)電抗器不接入線路運(yùn)行的運(yùn)行方式切換。

常規(guī)接線方案設(shè)置有隔離開關(guān)，運(yùn)行方式的切換可通過操作隔離開關(guān)實(shí)現(xiàn)，切換更為便捷。但根據(jù)運(yùn)行規(guī)程，若站內(nèi)裝設(shè)隔離開關(guān)等設(shè)備，需將隔離開關(guān)監(jiān)控信號上傳至調(diào)度。因此，常規(guī)接線方案需配置隔離開關(guān)監(jiān)控設(shè)備及遠(yuǎn)動通信設(shè)備。而根據(jù)DL/T 5155—2016《220 kV ～1000 kV變電站站用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，隔離開關(guān)監(jiān)控設(shè)備及遠(yuǎn)動通信設(shè)備需要配置交直流站用電系統(tǒng)，并需要雙電源供電，最終導(dǎo)致串抗站的站用電系統(tǒng)需按500 kV變電站的原則進(jìn)行配置，設(shè)置2回外接電源。不僅如此，監(jiān)控、通信設(shè)備及站用電系統(tǒng)需要設(shè)置電氣設(shè)備間，進(jìn)而增加建筑相關(guān)的消防設(shè)施等。對緊鄰變電站布置的串抗站而言，上述監(jiān)控、通信、站用電及消防系統(tǒng)均可共用變電站內(nèi)相關(guān)已建設(shè)施，投資增加不多。但對獨(dú)立布置的串抗站來說，上述一系列技術(shù)要求會導(dǎo)致串抗站的設(shè)計(jì)方案臃腫復(fù)雜，投資增大。

簡化接線方案取消隔離開關(guān)，運(yùn)行方式的切換通過改接跳線實(shí)現(xiàn)。由于取消隔離開關(guān)，站內(nèi)不需配置電氣設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)，站內(nèi)二次部分僅需配置視頻及安全警衛(wèi)系統(tǒng)即可。視頻信號不需上傳調(diào)度，因此可采用無線專網(wǎng)方式傳至就近變電站，站內(nèi)不需設(shè)置遠(yuǎn)動通信設(shè)備。由于取消了設(shè)備監(jiān)控及遠(yuǎn)動通信系統(tǒng)，站用電接線也可進(jìn)一步簡化，僅需采用單回外接電源。視頻及安全警衛(wèi)系統(tǒng)、單回外接電源可室外布置，又可以取消電氣設(shè)備間及消防設(shè)施。簡化接線方案接線簡單，投資少，正常使用時運(yùn)維工作量小。但簡化接線方案切換運(yùn)行方式需改接站內(nèi)設(shè)備連線，工作量大，用時長。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行方式需要串聯(lián)電抗器較為頻繁地投退時，該方案是不適合的。例如，在某些短路電流不超標(biāo)的運(yùn)行方式下，將串聯(lián)電抗器退出運(yùn)行以減小線損，在某些短路電流存在超標(biāo)風(fēng)險的運(yùn)行方式下，再將串聯(lián)電抗器接入線路運(yùn)行。此時，串聯(lián)電抗器要面臨較頻繁地投切，采用簡化接線方式顯然是不合適的。

因此，線路中部的500 kV獨(dú)立串抗站的接線形式不僅需要充分考慮各種邊界條件，也需與運(yùn)行、調(diào)度等部門密切協(xié)商，最終確定接線方案。尖彭串抗站經(jīng)網(wǎng)省公司各部門充分討論，確認(rèn)串抗正常運(yùn)行時不考慮切換運(yùn)行方式，僅需保留串聯(lián)電抗器設(shè)備故障時進(jìn)行運(yùn)行方式切換的可行性。根據(jù)調(diào)研，500 kV串聯(lián)電抗器設(shè)備故障率極低，因此可認(rèn)為本工程切換運(yùn)行方式頻次極低，可考慮采用簡化接線方案。

對于獨(dú)立串抗站而言，簡化接線方案可有效地簡化二次系統(tǒng)、站用電系統(tǒng)、建筑及消防系統(tǒng)，并減少檢修和運(yùn)行維護(hù)工作量。若運(yùn)行方式允許，獨(dú)立串抗站建議采用簡化接線方案。

3 串抗站的設(shè)備選型及電氣布置

3.1 串聯(lián)電抗器

500 kV串聯(lián)限流電抗器一般采用干式空芯電抗器。干式空芯電抗器具有較大的電感線性范圍，阻抗值比較穩(wěn)定，更適宜作為限流電抗器使用。油浸式電抗器在系統(tǒng)短路時，鐵芯容易達(dá)到鐵磁飽和，導(dǎo)致阻抗值有較大波動，一般不宜作為限流電抗器使用。

除上述特點(diǎn)外，干式空芯電抗器還具有噪聲較低、無火災(zāi)危險、絕緣接地簡單、能量反向(逆轉(zhuǎn))時無嚴(yán)重的電(介質(zhì))應(yīng)力、對瞬時過電壓的反應(yīng)較小、重量輕、運(yùn)輸使用方便、投資和維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)。因此，尖彭串抗站工程采用干式空芯電抗器，電抗器額定阻抗為28 Ω，額定電流為4 kA。因阻抗值較大，需采用2臺14 Ω、4 kA電抗器串聯(lián)實(shí)現(xiàn)。

3.2 過電壓和絕緣配合

在線路中部安裝串聯(lián)電抗器后，對于電網(wǎng)運(yùn)行以及電氣設(shè)備將產(chǎn)生一些新的要求。特別是線路兩端斷路器在開斷短路電流時，其斷口瞬態(tài)恢復(fù)電壓可能會超過斷口絕緣恢復(fù)強(qiáng)度，從而使斷路器不能正常開斷短路電流，造成事故擴(kuò)大化。因此串抗站必須校驗(yàn)兩端斷路器的瞬態(tài)恢復(fù)電壓是否滿足，確定是否需要采取防護(hù)措施來限制斷路器瞬態(tài)恢復(fù)電壓[3]。

經(jīng)計(jì)算，尖彭串抗站需串聯(lián)電抗器兩端并聯(lián)耦合電容用以限制瞬態(tài)恢復(fù)電壓幅值及陡度。采取上述措施后,兩端變電站斷路器瞬態(tài)恢復(fù)電壓滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。串抗站設(shè)計(jì)時，另需計(jì)算串聯(lián)電抗器端對端的過電壓幅值，以確定串聯(lián)電抗器兩端是否需要并聯(lián)避雷器。經(jīng)計(jì)算，尖彭串抗站無需在串聯(lián)電抗器兩端并聯(lián)避雷器。

綜上，尖彭串抗站僅需在串抗站兩側(cè)出線處配置線路避雷器。

3.3 配電裝置型式與布置

獨(dú)立串抗站配電裝置一般采用敞開式常規(guī)中型布置，全站共設(shè)兩排構(gòu)架，一排為進(jìn)線構(gòu)架，另一排為出線構(gòu)架，如圖3所示。兩排構(gòu)架間布置串聯(lián)電抗器及可拆卸導(dǎo)線，旁路回路采用架空方式布置于串聯(lián)電抗器上方。出線構(gòu)架寬度根據(jù)串聯(lián)電抗器的布置方案確定，出線構(gòu)架高度按26 m設(shè)計(jì)，如圖4所示。站內(nèi)需設(shè)計(jì)站前區(qū)，站前區(qū)布置有警衛(wèi)室、串抗站備用相備品間。

圖3 串抗站電氣平面布置

圖4 串抗站電氣斷面布置

尖彭串抗站每相串聯(lián)電抗器采用2臺干式空芯電抗器串聯(lián)而成，全站兩回出線共安裝12臺干式空芯電抗器?？紤]防磁范圍，每相2臺串聯(lián)的電抗器間距按12.5 m設(shè)計(jì)。因尖彭串抗站需裝設(shè)500 kV耦合電容器，為確保耦合電容器在相鄰的4臺串聯(lián)電抗器防磁范圍線之外，串聯(lián)電抗器相間距離需按15 m設(shè)計(jì)。

串聯(lián)電抗器及耦合電容器均采用低位布置。串聯(lián)電抗器四周設(shè)置玻璃鋼圍欄，避免人員靠近。為方便檢修，串聯(lián)電抗器四周設(shè)置環(huán)形道路，串聯(lián)電抗器與出線構(gòu)架間采用支柱絕緣子支撐管母線跨越環(huán)形道路，出線避雷器布置于構(gòu)架下方。線路與出線避雷器采用軟導(dǎo)線引下連接，該處導(dǎo)線為可拆卸導(dǎo)線，后期若需變更運(yùn)行方式，可將該引下線改接至上層跨線處。

需要特別說明的是，根據(jù)調(diào)研情況，500 kV串聯(lián)電抗器的漏磁比較嚴(yán)重。因此，串抗站的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)上必須考慮串聯(lián)電抗器漏磁的影響。如串聯(lián)電抗器設(shè)備應(yīng)設(shè)置圍欄阻隔，且圍欄應(yīng)設(shè)置在串聯(lián)電抗器設(shè)備的MC2防磁范圍線外，避免人員進(jìn)入MC2防磁范圍后產(chǎn)生不適感；又如串聯(lián)電抗器設(shè)備間連線應(yīng)盡量采用沒有鐵芯的鋁管母線，以避免導(dǎo)線發(fā)熱；在必須采用軟導(dǎo)線的地方，也應(yīng)盡量采用多分裂的純鋁絞線。

3.4 站用電

采取簡化接線后，獨(dú)立串抗站正常運(yùn)行時站用電負(fù)荷較小，最大用電負(fù)荷僅為幾千瓦。但站內(nèi)須考慮檢修用負(fù)荷，因此獨(dú)立串抗站站用變壓器容量宜設(shè)為100 kVA。

采取簡化接線后，串抗站內(nèi)僅有部分視頻監(jiān)控、照明及檢修負(fù)荷。這些負(fù)荷即使長時間停電也不影響串抗站的正常運(yùn)行，因此采用簡化接線的獨(dú)立串抗站站用電源可采用1回外接電源進(jìn)行供電。

3.5 接地

采取簡化接線后的500 kV獨(dú)立串抗站接地方案與常規(guī)串抗站也有較大不同。采用簡化接線后，站內(nèi)沒有重要的二次及通信設(shè)備，僅需滿足站內(nèi)人員安全即可。也就是說，采用簡化接線后的500 kV獨(dú)立串抗站接地主要是滿足接觸電勢和跨步電勢要求，對串抗站的目標(biāo)接地電阻值的要求可適當(dāng)降低。

干式空芯電抗器漏磁較嚴(yán)重，根據(jù)調(diào)研，已建串抗站多有地網(wǎng)發(fā)熱的情況發(fā)生。因此，串抗站主地網(wǎng)建議采用非鐵磁性的扁銅作為主網(wǎng)接地材料。

4 結(jié) 論

布置于線路中部的500 kV獨(dú)立串抗站與緊鄰變電站布置的串抗站相比，面臨監(jiān)控信號遠(yuǎn)傳難度大、需設(shè)置獨(dú)立站用輔助系統(tǒng)、設(shè)備運(yùn)行維護(hù)困難等難題。如果按照常規(guī)500 kV串抗站的原則去設(shè)計(jì)，不但投資增加較大，后期運(yùn)行維護(hù)工作量也會隨之增大。若在確保主要功能的前提下，將串聯(lián)電抗器視為線路的一部分，則可盡量簡化接線型式及設(shè)計(jì)方案，可以大幅節(jié)省投資并減輕后期運(yùn)維難度。