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      提高500 kV變電站220 kV母線短路水平問題的研究

      2021-11-13 07:48:19李媛媛張?zhí)煊?/span>
      關(guān)鍵詞:分區(qū)短路容量

      雷 錚, 王 魁, 李媛媛, 張?zhí)煊睿?宋 佳

      (國網(wǎng)天津市電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院, 天津 300100)

      0 引言

      隨著城市電網(wǎng)快速建設(shè)和發(fā)展,系統(tǒng)短路水平不斷增大。在電網(wǎng)發(fā)展初期暫態(tài)穩(wěn)定問題比較突出時,提高短路水平是完全必要的。但是隨著電網(wǎng)的發(fā)展,暫態(tài)穩(wěn)定問題可能不再是限制電網(wǎng)運行方式的主要矛盾,為了保障電網(wǎng)的安全運行,需要采取一定的措施控制短路電流水平在設(shè)備允許范圍內(nèi)。根據(jù)相關(guān)研究成果,天津電網(wǎng)在不采取針對性措施的情況下,若干500 kV站及220 kV站的220 kV母線的短路水平均接近甚至超過50 kA。

      解決短路電流問題主要有兩種措施。一是采取限制短路電流的措施,如電網(wǎng)分區(qū)運行、采用高阻抗變壓器、變壓器中性點加裝小電抗、控制電廠接入方式及提高升壓變阻抗等;二是直接更換開關(guān)設(shè)備,提高開關(guān)額定遮斷容量。目前,多數(shù)控制短路電流的研究主要基于限制短路電流這一措施,對直接更換開關(guān)設(shè)備這一措施研究較少。

      本文基于提高開關(guān)額定遮斷容量這一措施,針對500 kV站的220 kV母線選用抗短路水平63 kA的設(shè)備開展研究。

      1 分區(qū)220 kV短路電流最大點辨識

      找出220 kV分區(qū)電網(wǎng)的短路電流最大點,研究短路電流最大點可能出現(xiàn)的地方,對于研究和控制系統(tǒng)短路水平具有重要意義。本文所述的220 kV分區(qū)電網(wǎng)的電源是指500 kV變壓器和220 kV電廠。對于單電源220 kV分區(qū)電網(wǎng)(僅從一個500 kV站接受電能),容易證明,500 kV變電站的220 kV母線必然為該分區(qū)內(nèi)的短路電流最大點,離電源越遠,短路電流越小。以下重點證明多電源的情況。多電源分區(qū)如圖1所示。

      圖1 多電源分區(qū)示意圖

      電源Gi的220 kV側(cè)Ai、中間節(jié)點B的三相短路電流分別為:

      (1)

      (2)

      式中IAi及IB分別為電源Gi的220 kV側(cè)母線及中間節(jié)點B的220 kV母線短路電流;XGi、XLi分別為電源Gi的發(fā)電機阻抗、電源Gi到及中間節(jié)點B的阻抗。

      2 提高500 kV站220 kV母線短路水平的影響分析

      2.1 對500 kV短路水平的影響

      500 kV變電站的500 kV母線短路電流主要由兩部分組成:一是通過500 kV電網(wǎng)注入的短路電流;二是從220 kV側(cè)通過變壓器注入的短路電流,如圖2所示。本小節(jié)探討由于220 kV電廠的接入或合上某些220 kV聯(lián)絡(luò)線,導(dǎo)致500 kV站220 kV母線短路水平提升的同時,對500 kV母線短路水平的影響。

      圖2 500 kV站接入系統(tǒng)示意圖

      假定500 kV變電站內(nèi)兩個500 kV變壓器并列運行,高、中壓側(cè)短路阻抗為14%。不考慮通過500 kV電網(wǎng)注入的短路電流,容易得到,單臺主變?nèi)萘縎分別為1 200 MVA、801 MVA和750 MVA時,500 kV母線短路電流I500隨220 kV母線短路電流I220的變化趨勢如圖3所示。

      圖3可以看出,I500隨著I220的不斷增大而增大,但變化速率逐漸減小。在高中壓阻抗相同的情況下,變壓器容量越大,I500越大。當220 kV母線短路水平由50 kA提高至63 kA時,500 kV側(cè)短路水平將提升0.6~1.1 kA。

      圖3 I500隨I220的變化曲線

      2.2 對相鄰220 kV站短路水平的影響

      假定圖4(a)中500 kV站的220 kV母線E短路水平為50 kA,合上某些聯(lián)絡(luò)線后短路水平提高至63 kA,如圖4(b)所示。本小節(jié)驗證500 kV站220 kV母線E短路水平的提高對相鄰220 kV站(如節(jié)點B)短路水平的影響。設(shè)500 kV變電站內(nèi)由兩個主變?nèi)萘繛?50 MVA的變壓器并列運行,高、中壓側(cè)短路阻抗為14%,通過500 kV電網(wǎng)注入到500 kV母線短路電流為60 kA,假定節(jié)點B、C均通過雙回2×LGJ- 630線路連接至500 kV站。

      圖4 500 kV站接入對相鄰站影響系統(tǒng)接線示意圖

      情形1假定L1和L2側(cè)均有電源,易得知有以下幾式成立:

      (3)

      (4)

      式中X500為500 kV側(cè)系統(tǒng)的等效電抗;XT為變壓器的等值電抗;XL1、XLM、XL2、XL3分別為節(jié)點B至E之間的線路電抗、B至F之間的線路電抗、C至E之間的線路電抗、D至E之間的線路電抗。

      合上聯(lián)絡(luò)線L3后,節(jié)點B的短路電流增加值為:

      (5)

      (6)

      ΔIB隨節(jié)點B連接至500 kV站距離的變化趨勢如圖5情形1所示。隨著距離的增加,ΔIB不斷減小,且變化速率逐漸減小。當距離為0時,節(jié)點B就是500 kV站的220 kV母線,短路電流顯然增加13 kA;當距離分別為5 km、10 km、20 km、30 km,短路電流分別增加8.54 kA、6.04 kA、3.48 kA、2.26 kA。

      圖5 ΔIB隨與500 kV站距離的變化曲線

      情形2線路L1側(cè)有電源,線路L2側(cè)無電源,可求得節(jié)點B的短路電流增加值為:

      (7)

      ΔIB隨節(jié)點B連接至500 kV站距離的變化趨勢如圖5情形2所示。當距離分別為5 km、10 km、20 km、30 km,短路電流分別增加9.67 kA、7.49 kA、4.88 kA、3.43 kA。

      情形3線路L1側(cè)無電源,線路L2側(cè)有電源,可求得節(jié)點B的短路電流增加值為:

      (8)

      ΔIB隨節(jié)點B連接至500 kV站距離的變化趨勢如圖5情形3所示。當距離分別為5 km、10 km、20 km、30 km,短路電流分別增加7.59 kA、4.97 kA、2.61 kA、1.60 kA。

      隨著500 kV站220 kV母線短路水平的提高,其他相鄰220 kV站短路水平會相應(yīng)提高;距500 kV站越近,短路水平增加越大,短路水平增加值與距500 kV站的距離大致呈負指數(shù)關(guān)系。情形2和情形3為情形1的兩種極端情形,二者所得到的短路電流增加值也是兩個極值。500 kV站220 kV母線短路水平從50 kA提高至63 kA,當220 kV站與500 kV站的距離分別為5 km、10 km、20 km、30 km時,220 kV站的220 kV母線短路電流分別增加7.59~9.67 kA、4.97~7.49 kA、2.61~4.88 kA、1.60~3.43 kA。

      需要特別說明的是,所合上的聯(lián)絡(luò)線L3側(cè)一系列220 kV站的短路電流會大幅上升,其增加值可能超過相應(yīng)500 kV站220 kV母線短路電流增加值,并可能超過其開關(guān)額定遮斷容量。

      根據(jù)天津電網(wǎng)相關(guān)規(guī)劃研究成果,可得不同情況下濱海500 kV站附近站點的220 kV三相短路電流如表1所示。在2020年將濱海220 kV母線選用抗短路水平63 kA的斷路器,則2020年可以合上創(chuàng)業(yè)至漢沽雙回線,而不會引起其他站點短路水平超標。但是到2023年,如果繼續(xù)合上該聯(lián)絡(luò)線,濱海220 kV母線短路水平將達到65 kA,同時米蘭、鄱陽路和海門短路水平均超標,此時又必須斷開先前合上的聯(lián)絡(luò)線。如果采取斷開創(chuàng)業(yè)至漢沽雙回線以及萬年橋至米蘭雙回線,則表中所有站點220 kV母線短路電流均控制在50 kA以下。

      表1 濱海500 kV站附近站點220 kV短路水平 單位:kA

      2.3 對110 kV和35 kV短路水平的影響

      220 kV變電站的110 kV母線短路電流主要由兩部分組成:一是從220 kV側(cè)通過變壓器注入的短路電流;二是由接入110 kV的電廠通過110 kV電網(wǎng)注入的短路電流。這里探討220 kV側(cè)短路水平的提升對110 kV側(cè)短路水平的影響,所采用的220 kV變壓器容量為240 MVA,各側(cè)阻抗分別為u12=14%,u13=23%,u23=8%。假定接入110 kV電網(wǎng)的發(fā)電機次暫態(tài)直軸電抗Xd″=0.183,額定功率因數(shù)為0.86,變壓器短路百分比為XGT=12%,容載比為1.05。該電廠通過5 km雙回線接入變電站的110 kV母線,單回線電抗為0.4 Ω/km。設(shè)接入110 kV的發(fā)電機容量為S110。兩臺220 kV主變110 kV側(cè)分列運行,則110 kV側(cè)短路電流為:

      (9)

      當220 kV側(cè)系統(tǒng)短路電流I220從50 kA變化至63 kA過程中,在110 kV側(cè)接入不同容量的小電源情況下,110 kV側(cè)短路電流I110變化如圖6所示。

      圖6 I110隨I220短路水平的變化曲線

      當220 kV變壓器的220 kV側(cè)短路水平從50 kA提高至63 kA時,110 kV側(cè)是否并列、有無小電源(接入110 kV側(cè)100 MW的電源)共四種情況下的110 kV和35 kV的短路電流如表2所示。

      表2 中低壓側(cè)短路電流 單位:kA

      從表中可以看出,220 kV側(cè)短路水平從50 kA提高至63 kA,不考慮110 kV側(cè)接入電源情況下,在110 kV分列和并列運行兩種情況下,110 kV側(cè)短路水平分別提高0.14 kA和0.50 kA,35 kV側(cè)短路水平分別提高0.18 kA和0.37 kA;考慮110 kV側(cè)接入100 MW電源情況下,在110 kV分列和并列運行時,110 kV側(cè)短路水平分別提高0.15 kA和0.47 kA,35 kV側(cè)短路水平分別提高0.15 kA和0.33 kA。由此可見,變電站220 kV側(cè)短路水平從50 kA提高至63 kA,對110 kV側(cè)和35 kV側(cè)短路水平影響不大。

      2.4 對分區(qū)規(guī)模的影響

      500 kV站的220 kV母線短路電流主要由兩部分組成:一是從500 kV側(cè)通過變壓器注入的短路電流;二是由接入220 kV的電廠通過220 kV電網(wǎng)注入的短路電流。500 kV主變高、中壓側(cè)短路比為14%。假定一個分區(qū)內(nèi)僅含一個500 kV站,通過500 kV電網(wǎng)注入到500 kV母線短路電流為60 kA。分區(qū)內(nèi)電源有20%的容量在距500 kV站10 km處接入,60%的容量在20 km處接入,20%的容量在40 km處接入??傻媒尤?20 kV的發(fā)電機容量S220和由S220注入到500 kV站220 kV母線的短路電流I220之間的關(guān)系如下圖7所示。

      圖7 I220隨S220的變化曲線

      針對不同的220 kV系統(tǒng)等值阻抗,按照上述方法可以得到相應(yīng)的220 kV側(cè)裝機容量,由此可以確定分區(qū)供電能力。分區(qū)可供最大負荷=(N-1)×單臺主變?nèi)萘俊?.3×0.9+220 kV側(cè)允許裝機×(1~10%)。根據(jù)上述計算方法,可得500 kV站220 kV開關(guān)遮斷容量按50 kA控制時分區(qū)供電能力如表3所示。

      表3 220 kV開關(guān)容量按50 kA控制時分區(qū)供電能力

      按照類似方法,可得500 kV站220 kV開關(guān)遮斷容量按63 kA控制時分區(qū)供電能力如表4所示。

      表4 220 kV開關(guān)容量按63 kA控制時分區(qū)供電能力

      綜上,提高500 kV站220 kV母線短路水平,可以提高分區(qū)供電能力。220 kV開關(guān)遮斷容量按63 kA控制相對于按50 kA控制時,分區(qū)供電能力大約提高1 800~2 600 MW。但是所得到的分區(qū)供電能力僅考慮了500 kV站220 kV母線的短路水平,而沒有考慮分區(qū)內(nèi)其他站點的短路水平是否超標,因此500 kV站220 kV母線的短路水平由50 kA提高至63 kA后,計算得到的分區(qū)供電能力較為樂觀。然而需要指出的是,在高一級電壓電網(wǎng)建成以后低一級電壓電網(wǎng)實行分層分區(qū)的運行方式,不僅僅是為了降低短路水平,同時也是為了防止因負荷轉(zhuǎn)移引起電網(wǎng)惡性連鎖反應(yīng)事故。合理的分區(qū)規(guī)模對于簡化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、縮小故障范圍、有效控制系統(tǒng)潮流、優(yōu)化無功電壓均具有重要的意義。

      2.5 對設(shè)備裝備的影響

      系統(tǒng)短路水平上限值的選擇決定了開關(guān)設(shè)備的開斷容量、開關(guān)設(shè)備及變電站各元件(母線、導(dǎo)線、接地網(wǎng)、支持瓷瓶等)的熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定、對通信線路的干擾程度、以及接地網(wǎng)的接觸和跨步電壓等。在電力系統(tǒng)的發(fā)展初期階段,短路水平較低,此時站內(nèi)其他設(shè)備往往有足夠的裕度。然而當系統(tǒng)短路水平已經(jīng)很高時,如果直接采取更換斷路器的方法,還需要對站內(nèi)其他設(shè)備進行校驗甚至加強或更換,如主變壓器、隔離開關(guān)、互感器、母線、瓷瓶、架構(gòu)、基礎(chǔ)、接地網(wǎng)等。

      3 結(jié)論

      基于上述研究,得出如下結(jié)論:

      (1)500 kV站的220 kV母線往往是電網(wǎng)的密集交匯點,在實際電網(wǎng)中,該母線一般為220 kV電網(wǎng)分區(qū)中短路電流最大點。

      (2)500 kV站220 kV母線短路水平的提高,會帶動分區(qū)內(nèi)220 kV站短路水平的提升。220 kV站短路水平增加值與其距500 kV站的距離大致呈負指數(shù)關(guān)系。

      (3)提高部分500 kV站220 kV母線短路水平后,合上某些聯(lián)絡(luò)線現(xiàn)階段可能不會導(dǎo)致其他220 kV站短路水平超標,但隨著電網(wǎng)和電源的快速建設(shè)和發(fā)展,220 kV站的220 kV母線短路水平不斷提升,可能會超過其額定遮斷容量;部分已提高至63 kA的500 kV站220 kV母線的短路水平也可能突破63 kA。

      (4)220 kV側(cè)短路水平的提高,會引起500 kV、110 kV和35 kV側(cè)短路水平的提升,但影響幅度均較小,同時會在一定程度上提升分區(qū)規(guī)模。

      當系統(tǒng)短路水平已經(jīng)很高時,如果直接采取更換斷路器的方法,還需要對站內(nèi)其他設(shè)備進行校驗甚至加強或更換,如主變壓器、隔離開關(guān)、互感器、母線、瓷瓶、架構(gòu)、基礎(chǔ)、接地網(wǎng)等。

      鑒于上述研究,對于天津電網(wǎng)的部分變電站短路電流超標問題,不建議將500 kV變電站的220 kV設(shè)備短路水平提高至63 kA,建議通過采用合理分區(qū)運行、斷開分區(qū)內(nèi)部分聯(lián)絡(luò)線、合理引導(dǎo)電源并網(wǎng)等方式控制短路水平在合理范圍內(nèi)。

      解決電網(wǎng)短路水平整體偏高問題是一個系統(tǒng)工程,應(yīng)從全網(wǎng)、全系統(tǒng)、全局的角度綜合分析研究,電網(wǎng)分區(qū)是有效降低系統(tǒng)整體短路水平的經(jīng)濟措施之一。對于500 kV站220 kV母線是否選用63 kA斷路器,應(yīng)該針對實際中的具體電網(wǎng)統(tǒng)籌考慮,慎重研判,確保系統(tǒng)安全可靠經(jīng)濟運行。

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