韓志錕，王震泉，許文超，甄宏寧，牛 濤

（中國能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京 211102）

500 kV變電站主變中性點(diǎn)小電抗工頻過電壓計(jì)算研究

韓志錕，王震泉，許文超，甄宏寧，牛 濤

（中國能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京 211102）

本文研究了500 kV變電站主變中性點(diǎn)加裝小電抗后，故障工況下中性點(diǎn)的工頻過電壓理論，提出一種計(jì)算方法，對(duì)江蘇省內(nèi)某500 kV變電站主變中性點(diǎn)加裝小電抗后，故障時(shí)中性點(diǎn)工頻過電壓進(jìn)行計(jì)算研究，利用計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相關(guān)設(shè)備的絕緣配合。該方法簡(jiǎn)便快捷，有助于業(yè)內(nèi)提高該項(xiàng)工作的效率。

變電站；中性點(diǎn)；小電抗；工頻過電壓。

1　概述

隨著江蘇電網(wǎng)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)日益加強(qiáng)，同時(shí)自耦變壓器被廣泛使用，電網(wǎng)單相短路電流水平不斷增高，省內(nèi)多個(gè)500 kV變電站220 kV母線單相短路電流水平，超過斷路器遮斷電流限值，這對(duì)電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行帶來隱患。在500 kV變電站主變中性點(diǎn)加裝小電抗，是最直接有效的限制單相短路電流措施，同時(shí)不影響網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的完整性及安全性。

相比主變中性點(diǎn)直接接地，主變中性點(diǎn)加裝小電抗后，發(fā)生系統(tǒng)母線或線路單相接地短路、兩相短路時(shí)，將會(huì)在主變中性點(diǎn)和小電抗上產(chǎn)生工頻過電壓。上述過電壓及其絕緣配合將對(duì)主變、中性點(diǎn)電抗器、中性點(diǎn)電抗器的避雷器等設(shè)備的選擇產(chǎn)出影響。

本文研究了主變中性點(diǎn)小電抗工頻過電壓理論原理，提出計(jì)算方法，基于電力系統(tǒng)分析軟件（Power System Department，PSD），對(duì)江蘇省內(nèi)某500 kV變電站主變中性點(diǎn)加裝小電抗后的工頻過電壓，進(jìn)行計(jì)算研究，并對(duì)相關(guān)設(shè)備的絕緣配合進(jìn)行校驗(yàn)。最后對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)今后實(shí)際工程中的應(yīng)用進(jìn)行展望。

2　中性點(diǎn)小電抗工頻過電壓理論原理

江蘇省內(nèi)既有及新建的500 kV變電站一般均采用三相自耦變壓器，接線形式為YNa0d11，圖1為此類變壓器電路原理圖。

圖1　YNa0d11型500 kV變壓器電路原理圖

若主變500 kV母線發(fā)生單相接地短路故障，則該變壓器及系統(tǒng)的零序等值電路見圖2。

圖2　YNa0d11型500 kV變壓器零序等值電路圖

對(duì)主變參數(shù)進(jìn)行折算，其中UI-II%、UI-III%、UII-III%為主變高—中、高—低、中—低側(cè)阻抗電壓。

考慮主變中性點(diǎn)加裝阻值為Xn的中性點(diǎn)小電抗，則折算后主變高、中、低側(cè)零序阻抗分別為（標(biāo)幺值）：

得到的X1'、X2'、X3'即為圖2的零序阻抗。

系統(tǒng)單相接地短路比兩相短路在主變中性點(diǎn)小電抗上產(chǎn)生的工頻過電壓情況更為嚴(yán)重，所以采用單相接地短路的方式計(jì)算其工頻過電壓。

圖2中，U1'、U2'分別是發(fā)生單相短路時(shí)，500 kV母線和220 kV母線上的零序電壓值；I1'、I2'分別為主變高、中壓側(cè)等值電路零序電流；I3'為主變零序等值電路的入地零序電流。

利用計(jì)算軟件仿真計(jì)算，如500 kV母線單相接地故障時(shí)，計(jì)算得到U1'、I1'值，并利用等式：

推導(dǎo)得到：

同理，如果如220 kV母線單相接地故障時(shí)，用仿真計(jì)算軟件計(jì)算得到U2'、I2'值，得到：

將主變高、中壓側(cè)等值電路零序電流標(biāo)幺值I1'、I2'折算為有名值I1、I2，計(jì)算可得主變高壓側(cè)、中壓側(cè)流向中性點(diǎn)的單相短路電流為3I1、3I2。則經(jīng)主變中性點(diǎn)流入地的單相短路電流為：

則單相短路造成的主變中性點(diǎn)小電抗工頻過電壓為：

根據(jù)圖2，系統(tǒng)單相短路后，在短路接地點(diǎn)產(chǎn)生零序電壓，進(jìn)而在零序等值電路中產(chǎn)生電流；該電流分別經(jīng)主變中性點(diǎn)、500 kV系統(tǒng)、220 kV系統(tǒng)的接地支路流入大地。

主變中性點(diǎn)工頻過電壓由中性點(diǎn)小電抗阻值和流經(jīng)其電流決定，經(jīng)主變回路流入地的零序電流越大、小電抗阻值越大，則中性點(diǎn)工頻過電壓越大。

500kV、220 kV系統(tǒng)小方式運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)阻抗較大，其分流作用減弱，一般會(huì)增大經(jīng)主變回路入地的零序電流，會(huì)造成中性點(diǎn)工頻過電壓更大。

主變小方式運(yùn)行也可能會(huì)造成流經(jīng)每臺(tái)主變中性點(diǎn)的零序電流增大，這種情況包括主變檢修或故障的N-1方式、變電站220 kV側(cè)母線分列運(yùn)行方式等。

3　工程算例

為加強(qiáng)鹽城地區(qū)北電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高電網(wǎng)的供電可靠性，2017年規(guī)劃建設(shè)500 kV濱響輸變電工程。濱響輸變電工程的投運(yùn)提高了500 kV潘蕩變220 kV母線單相短路電流，經(jīng)短路電流計(jì)算，潘蕩主變需加裝10Ω中性點(diǎn)小電抗。投產(chǎn)年潘蕩變供電區(qū)域主要電網(wǎng)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3　投產(chǎn)年潘蕩變供電區(qū)域主要電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

為校驗(yàn)加裝中性點(diǎn)小電抗對(duì)主變中性點(diǎn)及中性點(diǎn)電抗器避雷器的過電壓及絕緣配合影響，為設(shè)備選擇提供依據(jù)，需進(jìn)行中性點(diǎn)電抗器的工頻過電壓計(jì)算。

基于PSD，依據(jù)江蘇電網(wǎng)最新規(guī)劃成果，分別搭濱響變建投產(chǎn)年及遠(yuǎn)景年江蘇電網(wǎng)仿真數(shù)據(jù)，以此進(jìn)行潘蕩變加裝中性點(diǎn)小電抗后，故障時(shí)造成的中性點(diǎn)工頻過電壓情況，結(jié)果見表1、表2。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，總體來說主變N-1方式、220 kV母線單相短路時(shí)中性點(diǎn)工頻過電壓水平較高；系統(tǒng)出線回路數(shù)越少，系統(tǒng)阻抗越大，中性點(diǎn)工頻過電壓相對(duì)更高。該結(jié)果也驗(yàn)證了前文理論分析的結(jié)論。

經(jīng)過多種計(jì)算方式的核對(duì)，主變N-1時(shí)220 kV出線全斷的計(jì)算結(jié)果最大，該運(yùn)行方式較少見，只存在于某種操作過渡階段。實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行方式千變?nèi)f化，有相關(guān)研究曾采用其他運(yùn)行方式進(jìn)行計(jì)算分析：①單臺(tái)主變運(yùn)行；②單臺(tái)主變帶單條220 kV線路運(yùn)行；③主變N-1時(shí)4條線路停運(yùn)檢修方式；④220 kV母線分段運(yùn)行方式等。

經(jīng)核算，表1、表2采用計(jì)算結(jié)果既能涵蓋各種情況，避免遺漏極端方式并留有一定裕度；又能采用固定方式以較小的工作量得到結(jié)果，避免了大量不同方式的計(jì)算工作。實(shí)際工程設(shè)計(jì)工作中可以該結(jié)果作為設(shè)備選擇依據(jù)。

投產(chǎn)年和遠(yuǎn)景年潘蕩變中性點(diǎn)最大工頻電壓分別為62.21 kV、61.91 kV，考慮1.05倍的裕度，分別為65.32 kV、65.01 kV，以此數(shù)據(jù)選擇相關(guān)電氣設(shè)備。

由于遠(yuǎn)景年江蘇500 kV網(wǎng)架密集，而220 kV電網(wǎng)鹽城北部獨(dú)立成片，所以對(duì)于潘蕩變，其遠(yuǎn)景年外部500 kV系統(tǒng)阻抗較投產(chǎn)年小，220 kV系統(tǒng)阻抗較投產(chǎn)年大。因而造成了220 kV母線單相短路時(shí)，500 kV線路全斷的方式遠(yuǎn)景年中性點(diǎn)過電壓大；而220 kV線路全斷的方式下遠(yuǎn)景年中性點(diǎn)過電壓反倒小?？傮w來說，對(duì)比投產(chǎn)年潘蕩變中性點(diǎn)小電抗工頻過電壓計(jì)算結(jié)論，遠(yuǎn)景年中性點(diǎn)過電壓最大值相對(duì)較小，這與該地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃發(fā)展規(guī)律是相符的。

4　相關(guān)設(shè)備的絕緣配合與選擇

4.1主變中性點(diǎn)絕緣校核

目前我國電網(wǎng)系統(tǒng)中，500 kV變壓器的中性點(diǎn)一般采用66 kV電壓等級(jí)的絕緣水平，在該電壓等級(jí)下設(shè)備的額定工頻1分鐘耐受電壓為140 kVrms；額定雷電沖擊耐受電壓為325 kVpk；操作耐受電壓為270 kVpk。

校驗(yàn)時(shí)，要滿足：

（1） 140 kVrms≥故障時(shí)中性點(diǎn)小電抗上產(chǎn)生的最大工頻過電壓；

（2） 325 kVpk/中性點(diǎn)避雷器雷電沖擊電流殘壓≥1.25；

（3） 270 kVpk/中性點(diǎn)避雷器操作沖擊電流殘壓≥1.15。

其中1.25、1.15分別是雷電、操作沖擊耐壓配合系數(shù)Ks。

表1　濱響投產(chǎn)年各種方式下潘蕩變工頻過電壓情況統(tǒng)計(jì)

表2　遠(yuǎn)景年各種方式下潘蕩變工頻過電壓情況統(tǒng)計(jì)

4.2中性點(diǎn)小電抗絕緣校核

中性點(diǎn)小電抗的絕緣水平一般與主變中性點(diǎn)匹配。但工程中存在校核一些老站主變時(shí)，其中性點(diǎn)小電抗絕緣水平較低，比如中性點(diǎn)電抗器采用35 kV電壓等級(jí)的絕緣水平，工頻耐受電壓和雷電沖擊耐受電壓分別是85 kVrms、185 kVpk。其校驗(yàn)方法與主變中性點(diǎn)絕緣校核方法一致，需滿足三個(gè)條件。

4.3中性點(diǎn)避雷器參數(shù)選擇

變壓器中性點(diǎn)電抗器采用避雷器保護(hù)時(shí)，變壓器中性點(diǎn)電抗器上經(jīng)受的操作和雷電過電壓與中性點(diǎn)避雷器的額定電壓等級(jí)有關(guān)，避雷器的參數(shù)選擇既要保證被保護(hù)設(shè)備的安全，又要保證避雷器自身的安全。

典型的變壓器中性點(diǎn)用避雷器參數(shù)見表3。

表3　典型的變壓器中性點(diǎn)用避雷器參數(shù)

例如選擇額定電壓為72 kV的避雷器，其雷電沖擊、操作耐受電壓分別為186 kV、174 kV，需滿足：

（1） 72 kV≥故障時(shí)中性點(diǎn)小電抗上產(chǎn)生的最大工頻過電壓。

（2） 設(shè)備雷電沖擊耐受電壓/中性點(diǎn)避雷器雷電沖擊電流殘壓≥1.25。

（3） 設(shè)備操作沖擊耐受電壓/中性點(diǎn)避雷器操作沖擊電流殘壓≥1.15。

實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，主變中性點(diǎn)小電抗的最大工頻過電壓值對(duì)上述設(shè)備的絕緣校核具有關(guān)鍵性作用，由其選定相應(yīng)額定電壓等級(jí)的中性點(diǎn)避雷器，進(jìn)而由該避雷器的雷電、操作沖擊電流殘壓值參數(shù)，根據(jù)相關(guān)絕緣配合規(guī)范要求校驗(yàn)主變中性點(diǎn)及其小電抗的耐受電壓水平。

5　結(jié)語

本文研究了主變中性點(diǎn)加裝小電抗后，系統(tǒng)故障方式下主變中性點(diǎn)工頻過電壓的理論原理，據(jù)此得到計(jì)算方法，并基于PSD軟件，將該計(jì)算方法應(yīng)用于實(shí)際工程。綜合各種計(jì)算方式，得到主變中性點(diǎn)小電抗工頻過電壓參考值，依此進(jìn)行絕緣配合校驗(yàn)及設(shè)備選擇。

目前該方法已經(jīng)用于實(shí)際工程，實(shí)踐證明，該方法簡(jiǎn)便快捷，結(jié)果具有較好的參考價(jià)值，計(jì)算具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)解決設(shè)備選擇的實(shí)際問題，提高工作效率有較好的效果。

［1］ 崔勇， 郭強(qiáng)， 楊增輝. 華東500 kV主變中性點(diǎn)小電抗參數(shù)的選?。跩］. 華東電力， 2012， 40（9）.

［2］ 涂彩琪，等. 500 kV香山變電站變壓器中性點(diǎn)小電抗過電壓研究［J］. 華中電力， 2011， 24（1）.

［3］ GB/T50064—2014， 交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］ GB11032—2010， 交流無間隙金屬氧化物避雷器［S］.

Research on Power Frequency Overvoltage of the Neutral Point Reactance in 500 kV Substation

HAN Zhi-kun， WANG Zhen-quan， XYU Wen-chao， ZHEN Hong-ning， NIU Tao
（Jiangsu Power Design Institute Co.，Ltd. of China Energy Engineering Group， Nanjing 211102， China）

This paper studied the power frequency overvoltage of the neutral point under fault condition in a 500kV substation where the reactance of neutral point is installed. An algorithm was introduced to calculation the power frequency overvoltage of the neutral point under fault condition in a 500kV substation of Jiangsu province. The results can be reference for insulation coordination. This method is convenient and efficient.

substation； neutral point； reactance； power frequency overvoltage.

TM715

B

1671-9913（2016）03-0072-05

2015-12-10

韓志錕（1984- ），男，河南鄭州人，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)咨詢工作。