500 kV自耦變壓器中性點(diǎn)小電抗接地應(yīng)用研究

李晨坤，張磊，咼虎，陳道君，向萌(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

500 kV自耦變壓器中性點(diǎn)小電抗接地應(yīng)用研究

李晨坤，張磊，咼虎，陳道君，向萌
(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

限制單相短路電流的相關(guān)措施主要有限制變壓器中性點(diǎn)直接接地?cái)?shù)目、限制或不采用自耦變壓器、發(fā)變組升壓變壓器中性點(diǎn)裝快速接地開關(guān)、Y/Y/△接線自耦變壓器三角形繞組側(cè)開口以及變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電阻或小電抗接地等方式。變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地不僅不受電網(wǎng)運(yùn)行的限制，還可降低變壓器中性點(diǎn)絕緣水平，便于變壓器制造。同時還可避免大量更換斷路器的繁雜工作以及資金的浪費(fèi)，具有良好的社會經(jīng)濟(jì)效益，而小電抗參數(shù)的選擇是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文通過理論推導(dǎo)得出中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地后的等值零序電抗計(jì)算公式，在此基礎(chǔ)上采用電力系統(tǒng)分析綜合程序(PSASP)計(jì)算主變經(jīng)不同阻抗值小電抗接地時單相短路電流，并繪制曲線直觀顯示短路電流抑制效果。

500 kV自耦變壓器；單相短路電流；中性點(diǎn)小電抗

近年來，隨著湖南電網(wǎng)的發(fā)展，大量變電站投產(chǎn)、新機(jī)組的接入以及新線路的拉通，電網(wǎng)規(guī)模迅速擴(kuò)大。湖南電網(wǎng)500 kV主變?nèi)坎捎米择钭儔浩?，中性點(diǎn)均為直接金屬接地，系統(tǒng)零序電抗大幅降低，導(dǎo)致單相短路電流增加，部分變電站甚至?xí)^三相短路電流。電力系統(tǒng)中斷路器的切斷容量一般以三相短路電流為基準(zhǔn)設(shè)計(jì)，所以有時存在斷路器無法遮斷單相短路電流的風(fēng)險(xiǎn)，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。更重要的是，單相短路電流過大還會影響變壓器繞組的安全。

限制單相短路電流的相關(guān)措施主要有限制變壓器中性點(diǎn)直接接地?cái)?shù)目、限制或不采用自耦變壓器、發(fā)變組升壓變壓器中性點(diǎn)裝快速接地開關(guān)、Y/Y/△接線自耦變壓器三角形繞組側(cè)開口以及變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電阻或小電抗接地等方式。變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地不僅不受電網(wǎng)運(yùn)行的限制，還可降低變壓器中性點(diǎn)絕緣水平，便于變壓器制造。同時還可避免大量更換斷路器的繁雜工作以及資金的浪費(fèi)，具有良好的社會經(jīng)濟(jì)效益，而小電抗參數(shù)的選擇是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對不同電網(wǎng)的具體特點(diǎn)，通過仿真手段得到不同小電抗參數(shù)對單相短路電流的抑制效果，從而選取最佳參數(shù)是目前行之有效的方法之一。

1 湖南電網(wǎng)短路電流水平現(xiàn)狀

基于中國電力科學(xué)研究院的電力系統(tǒng)分析綜合程序(PSASP)，根據(jù)2016年湖南電網(wǎng)實(shí)際拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，搭建了湖南電網(wǎng)220 kV及以上包含發(fā)電機(jī)、線路、變壓器、電容、電抗等元件的潮流、穩(wěn)定計(jì)算模型。基于該計(jì)算模型，在湖南電網(wǎng)全開機(jī)、全接線的計(jì)算方案下，采用基于方案的短路電流計(jì)算方法，得到湖南電網(wǎng)負(fù)荷中心區(qū)域A、B兩個500 kV變電站主變中壓側(cè)單相短路電流見表1。

表1 全開機(jī)、全接線方案單相短路電流計(jì)算值

從表1可知，A、B兩個變電站主變均為自耦變壓器，從而導(dǎo)致單相短路電流較大，均超過斷路器額定遮斷電流，若發(fā)生短路接地故障，存在斷路器無法開斷故障電流的風(fēng)險(xiǎn)，威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。伴隨電網(wǎng)的持續(xù)發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)連接日益緊密，上述站點(diǎn)短路電流水平將進(jìn)一步上升。對于單相短路電流超標(biāo)，可采用中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地的方式來解決。

2 自耦變壓器中性點(diǎn)小電抗限制單相短路電流的原理

2.1 湖南電網(wǎng)自耦變壓器結(jié)構(gòu)

以A變電站500 kV自耦變壓器為例，主變額定容量1 000MVA，由3臺單相三繞組強(qiáng)油風(fēng)冷無載調(diào)壓自耦變壓器組成，額定容量334/334/80 MVA，額定電流1 102/2 515/2 222 A，額定電壓接線方式為Y N a0 d 11。Y表示變壓器高壓側(cè)星形接線；N表示中性點(diǎn)引出；a0表示自耦變壓器；d表示低壓側(cè)三角形接線；11表示高低壓之間向量差為30° (時鐘表示法，11點(diǎn)整時時針和分針之間的角度為30°)中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地的自耦變壓器電氣接線圖如圖1所示。

當(dāng)自耦變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地，電網(wǎng)發(fā)生三相對稱接地故障時，由于高壓側(cè)為星形接線，三相電流之和為0，即沒有電流流經(jīng)小電抗，相當(dāng)于中性點(diǎn)直接接地，因此中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地并不會對三相對稱短路電流造成影響。此外，電網(wǎng)正常運(yùn)行時也是保持三相對稱運(yùn)行，中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地同樣不會對正常運(yùn)行的系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響。

圖1 中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地的自耦變壓器接線圖

2.2 阻抗計(jì)算

假設(shè)自耦變壓器高、中壓側(cè)與中性點(diǎn)間的電壓分別UⅡN和UⅡn，高、中壓側(cè)額定電壓分別為UⅠN和UⅡN，中性點(diǎn)對地電壓為Un，則高、中壓側(cè)對地電壓為:

則折算到高壓側(cè)的高、中壓側(cè)電壓差為:

高壓側(cè)施加零序電壓后，高、中、低壓側(cè)繞組均將出現(xiàn)零序電流，繞組間自感及互感現(xiàn)象交織，對于等值零序電抗的求取較為困難。采用“一開兩短”的方法，即在高壓側(cè)施加零序電壓，中壓側(cè)繞組接地，低壓側(cè)三角形繞組開口，以消除低壓側(cè)繞組的影響，依此可以得到折算到高壓側(cè)的高、中壓側(cè)之間零序等值電抗為:

將中壓側(cè)繞組斷開，折算到高壓側(cè)的高、低壓側(cè)零序等值電抗為:

同理，將高壓側(cè)繞組斷開可以得到折算到高壓側(cè)的中、低壓側(cè)零序等值電抗為:

由式(1)—(6)以及變壓器各繞組等值電抗的計(jì)算公式可以得到折算到高壓側(cè)的高、中、低壓側(cè)繞組零序等值電抗為:

式中 X′n為加裝的電抗；X0Ⅰ、X0Ⅱ、X0Ⅲ分別為加小電抗前變壓器高、中、低壓側(cè)零序電抗；X0Ⅰ、X0Ⅱ、X0Ⅲ分別為加小電抗后變壓器高、中、低壓側(cè)零序電抗。

由式(7)—(9)，考慮電力系統(tǒng)分析綜合程序(PSASP)中容量基準(zhǔn)值為100MVA，可以得到折算到高壓側(cè)的高、中、低壓側(cè)繞組零序等值電抗標(biāo)幺值為:

式中 Xn為加裝的電抗標(biāo)幺值；X′0Ⅰ、X′0Ⅱ、X′0Ⅲ分別為加小電抗前變壓器高、中、低壓側(cè)零序電抗標(biāo)幺值；X″0Ⅰ、X″0Ⅱ、X″0Ⅲ分別為加小電抗后變壓器高、中、低壓側(cè)零序電抗標(biāo)幺值。

由式(10)－(12)可知主變中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地后，通過改變小電抗阻抗值就能改變高、中、低壓側(cè)等值零序阻抗。隨著中性點(diǎn)小電抗阻抗值增大，中壓側(cè)零序阻抗增大，單相短路電流也將隨之減小。

3 小電抗參數(shù)選擇

計(jì)算分析表明，變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地，能夠有效地降低單相短路電流。以A站主變?yōu)槔治鋈绾芜x擇合適的小電抗阻抗值。A站主變高、中、低壓側(cè)初始零序電抗標(biāo)幺值分別為0.012 026 p.u.、－0.00 005 p.u.、0.041 966 p.u.。根據(jù)式(10)—(12)可以得到中性點(diǎn)經(jīng)不同阻抗值小電抗接地時的零序電抗見表2。

為選擇合適的中性點(diǎn)小電抗阻值，采用電力系統(tǒng)分析綜合程序(PSASP)，計(jì)算A站主變中性點(diǎn)分別經(jīng)0～25Ω小電抗時短路電流可以得到單相短路電流抑制特性曲線如圖2所示，中性點(diǎn)小電抗對單相短路電流的抑制效果隨著小電抗阻抗值的增大而衰減。阻抗值0～10Ω，單相短路電流降低了7 kA；而阻抗值10～25Ω，單相短路電流僅降低了2.4 kA。因此，考慮單相短路電流抑制效果，建議A站主變中性點(diǎn)經(jīng)10～15Ω小電抗接地。

表2 A站主變零序電抗標(biāo)幺值p.u.

圖2 A站主變中壓側(cè)母線單相短路電流曲線

4 結(jié)論

隨著湖南電網(wǎng)發(fā)展，在全開機(jī)、全接線計(jì)算方式下，長株潭負(fù)荷中心區(qū)變電站220 kV母線單相短路電流超標(biāo)情況日益突出，通過中性點(diǎn)加裝小電抗的方式可以起到有效降低單相短路電流的效果，同時對系統(tǒng)正常運(yùn)行方式?jīng)]有影響。小電抗對單相短路電流的抑制效果隨著阻抗值增加呈衰減趨勢，在實(shí)際運(yùn)用中，需要綜合考慮短路電流抑制需求及效果，來選擇合適的中性點(diǎn)小電抗參數(shù)。

〔1〕馬世英，宋云亭，申旭輝，等.短路電流控制技術(shù)及應(yīng)用〔M〕.北京:中國電力出版社，2014.

〔2〕龔賢夫，高崇，龍志，等.500 kV自耦變壓器中性點(diǎn)加裝小電抗限制不對稱短路電流原理〔J〕.電力建設(shè)，2013，34 (11):56-60.

〔3〕朱天游.500 kV自耦變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地方式在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用〔J〕.電網(wǎng)技術(shù)，1999，23(4):15-18.

Study on 500 kV Auto-Transformer Neutral Reactance in Hunan Power grid

LIChenkun，ZHANG Lei，GUO Hu，CHEN Daojun，XIANGMeng
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

Single phase short circuit current can be limited by reducing number of neutral ground，avoiding auto-transformer，fast grounding switch on boosting transformer in generator-transformer unit，Y/Y/△auto-transformer△side open circuit，and transformer neutral point grounded by small reactance.Transformer neutral point grounded by small reactance can be done without affecting power flow in power grid and can also lower the transformer insulation requirement and building costs. Meanwhile，it can avoid breaker changing，which means heavy workload andmoney waste，and the key is to choose the right parameters for the small reactance.This paper comes up with the equivalent zero sequence reactance formula through theoretical derivation.Based on the formula，power system analysis software package(PSASP)is used to calculate single phase short circuit currentwith different reactance parameters，and curves are used to directly show the reactance limiting effect.

Hunan power grid；500 kV auto-transformer；single phase short circuit current；neutral reactance

TM411＋.3

B

1008-0198(2017)03-0059-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.03.016

2016-11-30 改回日期:2017-03-20