基于PSCAD的220k V主變110k V側單相短路時中性點接地方式分析

楊亞奇 袁欽鵬

（山東科技大學，山東 青島 266590）

220kV變電站在我國電力系統(tǒng)中占有重要地位，其主變能否安全運行直接影響到整個電網的穩(wěn)定。我國110kV及220kV系統(tǒng)普遍采用變壓器中性點直接接地、部分變壓器中性點不接地的方式，這對于系統(tǒng)穩(wěn)定運行起到了良好效果。但是，隨著系統(tǒng)容量的不斷增大，當系統(tǒng)內發(fā)生接地短路故障時，變壓器承受的短路電流沖擊也很嚴重，時常發(fā)生燒毀事故。目前，單相短路故障占到系統(tǒng)總故障的80%以上，而且單相短路往往大于三相短路時的短路電流[1]。因此為了更好的保護主變，我們十分有必要對主變中性點接地方式進行科學的仿真分析，并給出合理最優(yōu)的接地方案。本文對220kV主變中性點接地方式進行了詳細分析，提出了計算單相短路故障電流的簡化計算方法，并對某地區(qū)110kV系統(tǒng)進行了故障仿真，進而給出最優(yōu)接地方案。

1 220kV變電站主變中性點接地方式分析

220kV變電站中，主變運行方式多為2臺接線方式為YNynd11的主變并列運行。其中性點接地方式有以下4種：

1）1臺主變（下文中以1#主變代替）220、110kV側中性點都接地，另一臺主變（下文中以2#主變代替）220、110kV側都不接地。

2）1#主變 220、110kV側中性點都接地，2#主變 220kV側不接地，110kV側接地。

3）1#主變220、110kV側中性點都接地，2#主變220kV側接地，110kV側不接地。

4）1#和2#主變的220、110kV側中性點都接地[2]。

圖1 方式1～4的變電站正序和負序等值電抗圖

選擇在220kV主變110kV側母線出口發(fā)生單相接地短路故障，方式1～4的變電站正序等值電抗圖和負序等值電抗圖如圖1[3]。由于方式1中2#主變高、中壓側中性點均不接地，因此零序等值電抗圖僅有1#主變部分；方式3中2#主變中壓側不接地，因此零序電流無法由故障點向高壓側流通，因此零序等值電抗圖中也僅有1#主變部分，方式1、3的零序等值電抗圖相同。方式2中1#主變高中壓側均接地，2#主變僅中壓側接地，對2#主變來說，故障點和中壓側接地點間可構成零序電流通路。方式4的零序等值電抗圖為兩臺主變并聯(lián)形式。

圖 1 中 Xh（1）為 220kV 側線路正序電抗；X1h（1）、X1m（1）和 X1l（1）分別為1# 主變高壓側、中壓測和低壓側正序電抗；X2h（1）、X2m（1）和 X2l（1）分別為2#主變高壓側、中壓測和低壓側正序電抗；Xl（1）為110kV側線路正序電抗。

2 四種接地方式下短路電流的簡要手工計算方法

在用PSCAD對電網進行單相接地短路故障仿真的同時，需要對短路電流進行手工計算，并通過將仿真值與手工計算值比對來檢驗仿真模型是否正確。在查閱了許多文獻后發(fā)現(xiàn)對系統(tǒng)內單相短路電流計算方法的介紹比較復雜，沒有一種簡單且誤差相對較小的計算方法，因此本文詳細介紹了一種簡要計算方法，并且通過將計算值與仿真值做比對來證明此簡要計算方法的準確性。

2.1 針對方式1的短路電流計算

當220kV變電站內兩臺并聯(lián)的主變運行于方式1時（設1#主變中性點接地），主變110kV側發(fā)生單相接地短路，設故障相為A相。在手工計算時，我們采用簡化算法計算各序等值電抗，由于正、負序等值電抗值取決于220kV線路電抗和變壓器高、中壓繞組等值電抗，故忽略變壓器低壓繞組等值電抗和110kV線路電抗。為簡化計算，可分別將兩臺主變的高、中壓繞組等值電抗并聯(lián)，然后將兩部分串聯(lián)，則可得到圖1簡化后的正序網絡圖，如圖2，從而可計算正序等值電抗Xff（1）（下文圖和公式中，凡未標注為有名值的均為標幺值）。

圖2 方式1下簡化正序網絡圖

負序等值電抗 Xff（2）＝Xff（2）。 在零序網絡中，零序電流必須經過大地才能構成通路，而且電流的流通與變壓器中性點接地方式及變壓器接法有密切關系，故不能省略變壓器低壓繞組等值電抗。簡化零序網絡圖如圖3。

圖3 方式1下簡化零序網絡圖

表1 方式1下并聯(lián)主變短路電流分配表

則單相接地短路電流為[3]：

其中U為短路故障前故障相的電壓標幺值，認為U=1。此處求得的短路電流標幺值If為流經并聯(lián)主變220kV側短路電流之和，由于理想變壓器高、中壓側功率關系為：

故流經并聯(lián)主變中壓測故障電流為高壓側的兩倍，則流經故障點短路電流近似有名值為：

其中SB為基準容量，VB為基準電壓。

因為單相短路時短路電流各序分量相同，即 If（1）＝If（2）＝If（0），對于參數(shù)相同的兩臺并聯(lián)主變而言，單相短路電流各序分量的分配情況如表1。

因此流經接地主變110kV側短路電流為不接地主變的兩倍，即：

2.2 其他三種接地方式下短路電流簡化計算方法

圖4 方式2下簡化零序網絡圖

方式3與方式1的計算方法相同；方式4與方式1的不同之處為零序網絡中 XT1（0）、XT2（0）、XT0（0）均為兩臺主變并聯(lián)值； 方式 2 零序網絡圖如圖4。

零序等值電抗為：

3 某地區(qū)110kV系統(tǒng)單相接地仿真與計算

圖5 某地區(qū)電網一次系統(tǒng)圖

圖6 某地區(qū)電網PSCAD模型圖

某地區(qū)110kV系統(tǒng)是一個以220kV變電站為電源中心，呈輻射狀向各個110kV變電站供電的網絡，方式1下一次系統(tǒng)圖如圖5，PSCAD建模如圖6。方式2～4僅改變2#主變中性點接地方式，為節(jié)省篇幅不再畫出。

在圖6中令220kV變電站110kV側發(fā)生單相接地短路，分別對故障點和兩臺220kV主變110kV側出線故障電流在4種接地方式下仿真。為節(jié)省篇幅，下面只給出方式1和方式2的仿真波形，如圖 7～12。

用第二節(jié)中的手工計算方法計算4種方式下的故障電流，并將計算結果與PSCAD仿真結果作對比，如表2所示。

通過對比手工計算和仿真值可以發(fā)現(xiàn)，運用上文介紹的簡化計算方法所得結果與仿真結果誤差均在5%以內，因此可以滿足計算精確度的要求。

分析以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，220kV主變110kV側發(fā)生單相接地短路時，當采用方式1和方式3時流過1#主變的故障電流最大，不利于保護主變；采用方式4時流過故障點短路電流雖然最大，但是流過兩臺主變的故障電流較平均，1#主變故障電流為4種方式最小值，有利于保護主變，但是方式4在現(xiàn)實中很少采用；方式2增加了一個110kV側接地點，并上一條零序電流通路后總故障電流雖然有所增加，但是流過1#主變的故障電流減小，故方式2的效果介于方式1和4之間。因此，主變四種接地方式中方式2最有利于保護主變。

圖7 方式1下故障點電流

圖8 方式1下1#主變電流

圖9 方式1下2#主變電流

圖10 方式2下故障點電流

圖11 方式2下1#主變電流

圖12 方式2下2#主變電流

表2 短路電流計算值與仿真值比對

4 結論

220kV變電站中主變中性點接地方式直接影響著電網的安全運行。本文分析了220kV變電站主變中性點四種接地方式以及110kV側發(fā)生單相接地短路故障時短路電流的簡化計算方法，并用PSCAD對某地區(qū)110kV系統(tǒng)進行了相應的仿真。通過對比仿真值與計算值，方式2增加一臺主變110kV側中性點接地的方案最有利于保護主變，降低了故障電流對主變的沖擊，減小了發(fā)生單相接地短路故障時主變燒毀的可能性。

［1］黃方能.220kV變電站主變110kV側接地方式分析[J].高電壓技術,2007,12（33）：73-73.

［2］舒思維.220kV 變電站主變中性點接地方式分析[J].技術與市場,2012,4（19）：157-158.

［3］何仰贊,溫增銀.電力系統(tǒng)分析[M].華中科技大學出版社,2002：202-204.