500kV自耦變單相短路電流的限制效果分析

許 彥，趙立飛，童 偉

(國網北京經濟技術研究院徐州勘測設計中心，江蘇 徐州 221000)

近年來，隨著電網的迅速發展，電源、電網規模的不斷擴大，網架結構越來越緊密，電網的短路電流水平日益提高[1，2]。特別在500kV系統中，由于大量采用自耦變壓器，其中性點直接接地，大量接地點的增加造成500kV變電站的220kV側母線單相短路電流更大[3]，這樣給相關電氣設備的選擇等均帶來了一系列的問題，如何限制母線的短路水平成為了一個亟待解決的問題[4-6]。本文以江蘇電網的連云港北（臨海）500kV變電站為例，主要討論如何對500kV變電站的220kV母線的短路電流進行限制，并結合仿真試驗數據著重分析主變中性點進行串接小電抗對于主變220kV母線短路電流的限制效果，以及由中性點經小電抗接地產生的中性點絕緣匹配問題，對小電抗參數提出了指導性建議。

1 問題的提出

由于江蘇電網的密集度日益提高，系統短路容量也隨之增長，目前蘇北網由于徐連泰降壓運行線路形成的220kV聯絡，蘇北五市的500/220kV電磁環網運行，導致蘇北地區的500kV變電站的220kV母線短路電流偏高。而且江蘇電網的500kV和220kV主變多為自耦變，中性點接地的數目多，考慮到自耦變良好的經濟效益，未來建設的主變將會以自耦變居多，而降壓型自耦變壓器的中壓側電抗常為0或接近于0，所以220kV母線單相接地短路電流常大于三相短路電流，目前國內220kV斷路器最高遮斷容量為50 kA。現國內外限制電網短路電流主要是優化網絡結構和提高電網設備容量兩個方面[7]。

（1）提高斷路器的遮斷容量隨著短路電流水平的提高而提高斷路器的遮斷容量。

（2）采用高阻抗變壓器對降低500kV變電所220kV母線的短路電流有一定的效果。

（3）電網分層分區運行將原電壓等級的網絡分成若干區，輻射形接入更高一級的電網，大容量電廠直接接入更高一級的電網中，原有電壓等級電網的短路電流將隨之降低。

（4）變電站打開母線分段開關，使母線分列運行，有效降低短路電流水平。

（5）加裝變壓器中性點小電抗接地對于限制短路電流的零序分量有明顯的效果。

上述措施中，措施（1）與（2）投資較大；方案（3）是限制短路的根本措施，但需要開展相應工程并結合相關電網規劃才能實現；方案（4）易出現500kV主變輸送能力下降的問題；而措施（5）施工便利，投資較小，特別對單相短路電流過大而三相短路電流相對較小的場合很有效[8-10]。

2 中性點串接小電抗對短路電流的限制作用

2.1 中性點串接小電抗限制短路電流的原理

中性點經小電抗接地的自耦變壓器的原理圖，以及中性點經小電抗接地的自耦變壓器零序等值電路圖如圖1、圖2所示。

圖1 中性點經電抗接地的自耦變壓器原理圖

圖2 中性點經電抗接地的自耦變壓器零序等值電路

圖1中，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ分別表示變壓器的高、中、低壓側3個繞組，設XⅠ，XⅡ，XⅢ為變壓器中性點直接接地時變壓器高、中、低壓側的零序等值電抗，中性點經小電抗接地后的變壓器高、中、低壓側的零序等值電抗為如圖 2 所示的 XⅠ'，XⅡ'，XⅢ'，首先將自耦變壓器低壓側繞組Ⅲ開路，設變壓器高、中側端點與中性點之間的電位差的有名值分別為UⅠN和UⅡN，中性點電位為UN，則當中性點直接接地時UN=0，折算到高壓側和中壓側繞組端點間的電位差為 UⅠN-UⅡN×UⅠN/UⅡN。 因此，折算到高壓側的等值零序電抗為[11-13]：

當中性點經電抗接地時，則折算到高壓側的等值零序電抗為：

將中壓側回路開路時，折算到高壓側的高、低壓側之間零序電抗為：

壓側繞組斷開，折算到高壓側的中、低壓側之間零序電抗為：

按求三繞組變壓器各繞組等值電抗的計算公式，求得星形零序等值電路中折算到高壓側的各電抗為：

式（5）中：UⅠN和 UⅡN分別為變壓器高、中側額定電壓。

由式（5）分析可知，當XN=0，即變壓器的中性點直接接地時，其中壓側電抗經常為0或者接近為0，從而造成中壓側母線單相短路電流很大。當中性點經小電抗XN接地后，中壓側零序電抗增加的比例顯著，因此可以預測其對中壓側單相短路電流的限制效果會很明顯。而由式（5）中第一式可知，變壓器中性點經小電抗接地后，變壓器的高壓側零序等值電抗有所減小，可能會造成變壓器高壓側母線對中性點提供的零序電流有所增加。根據電路原理，中性點串接的小電抗XN僅在電網發生單相接地短路，中性點有零序電流通過的時候才會等值到零序網絡中，當中性點無零序電流通過時，變壓器零序等值阻抗等于其正序等值阻抗。所以XⅠ'，XⅡ'，XⅢ'為主變零序電抗，而正序電抗仍是 XⅠ，XⅡ，XⅢ。因此，在主變中性點加裝小電抗只增加零序等值電抗阻值，不會改變正序等值電抗的大小，從而對正常運行時的網損無影響。

2.2 仿真試驗

本文短路計算采用了中國電力科學研究院開發的《電力系統分析綜合程序7.0版》中的短路計算程序包。計算不基于潮流方式，發電機取E"=1∠0°（p.u.），不計負荷影響[14]。根據江蘇電網2015年夏大方式下潮流數據計算的短路電流發現，江蘇網出現大量500kV變電站的220kV側母線單相短路電流超過其三相短路電流的情況，連云港北（臨海）500kV變電站220kV母線側短路電流表如表1所示。

表1 臨海500kV變電站220kV母線側短路電流表

500kV自耦變壓器中性點經小電抗接地，對500kV母線短路電流幾乎無限制效果。這是因為500kV母線短路電流主要來源于500kV電網，另一方面中性點經接小電抗接地后，500kV側零序等值電抗微弱減小造成的500kV側零序電流增長部分，與220kV側零序電流的減小部分相抵消，所以500kV側單相短路電流變化很小[11]。根據中華人民共和國電力行業標準DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》有關規定[15]，“中性點經電抗器接地時，其電抗值與變壓器或高壓并聯電抗器的零序電抗之比小于等于1/3”臨海變4臺主變UkH-M%均為18%左右，其1/3阻值約為 15 Ω，因此，選擇阻值為 8 Ω，10 Ω，12 Ω，14 Ω的小電抗分別進行短路計算和分析。由表1可見，當4臺主變，500kV側全部并列，220kV側兩組并列，臨海變4臺主變中性點均接入14 Ω的小電抗后，臨海變220kV母線各種不平衡短路電流均可以控制在47 kA以內。但隨著在500kV自耦變壓器中性點串接的小電抗阻值的增加，其對220kV側母線單相短路電流的限制效果逐漸趨于飽和。連云港北（臨海）變主變中性點按5 Ω級差串接小電抗試驗的短路電流關系曲線如圖3所示。當分別在各變電站的所有主變中性點串接14 Ω小電抗時，臨海變220kV側的單相短路電流和兩相接地短路電流分別下降到46.10 kA和46.35 kA，分別減少6.30 kA和4.22 kA，下降率達到了12.02%和8.34%，且單相短路電流已低于其三相短路電流。

圖3 中性點串接不同小電抗時220kV單相短路電流曲線

2.3 變壓器中性點經小電抗接地后的中性點絕緣配合

當變壓器中性點經小電抗接地且發生單相接地短路時，變壓器的中性點電壓將會發生一定偏移。由于自耦變壓器有一個公共線圈，高壓側和中壓側線圈公用一個中性點和接地阻抗，因此中性點的入地電流，應等于這兩個自耦繞組零序電流之差的三倍。當自耦變壓器的中性點經小電抗接地時，中性點的電位要受兩個繞組的零序電流的影響，中性點電位取決于通過中性點的三倍零序電流與中性點串接小電抗阻值的乘積。根據中華人民共和國電力行業標準DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》有關規定，500kV主變若直接接地，其中性點短時工頻耐受電壓（有效值）約85kV；500kV主變若經小電抗接地，其中性點短時工頻耐受電壓（有效值）約140kV。當小電抗為14 Ω時，連云港北（臨海）變220kV母線單相短路時中性點電壓偏移42.98kV，兩相接地短路時中性點電壓偏移88.34kV。為防止發生雷擊時變壓器中性點的過電壓，可在中性點裝設氧化鋅避雷器。常用繼電保護設備均可滿足正確識別和可靠動作的要求。

3 結束語

（1）對控制500kV變電站的220kV母線單相短路電流的方法，僅就降低220kV母線單相短路電流而言，采用500kV自耦變加裝小電抗的措施是有效的。

（2）隨著在500kV自耦變壓器中性點串接的小電抗阻值的增加，220kV側母線單相短路電流的限制效果逐漸趨于飽和。

（3）在具體工程設計中應考慮500kV自耦變壓器自身的中性點絕緣水平是否能夠滿足因變壓器中性點經小電抗接地造成的中性點電壓偏移。

[1]王 非，李群炬.京津唐電網限制短路電流問題探討[J].華北電力技術，2007（4）：17-19.

[2]袁 娟，劉文穎，董明齊，等.西北電網短路電流的限制措施[J].電網技術，2007，31（10）：42-45.

[3]江 林，王自強.500kV及220kV自耦變壓器對電網單相短路電流的影響[J].電力系統保護與控制，2008，36（18）：108-116.

[4]張 弘，甘德強.500kV變壓器經小電抗接地的應用分析[J].電力建設，2009，29（11）：38-40.

[5]楊雄平，李 力，李揚絮，等.限制廣東500kV電網短路電流運行方案[J].電力系統自動化，2009，33（7）：104-107.

[6]朱天游.500kV自耦變壓器中性點經小電抗接地方式在電力系統中的應用[J].電網技術，1999，23（4）：15-18.

[7]葉幼君，鮑愛霞，程云志.廣東500kV電網短路電流的控制[J].華東電網，2006，34 （3）：11-15.

[8]李 琥，黃 河，張 謙.江蘇電網限制單相接地短路電流措施的研究[J].江蘇電機工程，2009，28（1）：19-21.

[9]周 堅，胡 宏，莊侃沁，等.華東500kV電網短路電流分析及其限制措施探討[J].華東電力，2006，34（7）：55-59.

[10]吳 荻.限制大電網的短路電流水平的措施的研究[D].杭州：浙江大學，2005.

[11]李光琦.電力系統暫態分析[M].三版.北京：中國電力出版社，2007.

[12]陳 珩.電力系統穩態分析[M].三版.北京：中國電力出版社，2007.

[13]程云志，葉幼君.500kV自耦變壓器中性點裝設小電抗的應用研究[J].華東電力，2006，34（11）：59-61.

[14]田 華，王 卿，朱 峰.基于PSASP程序的短路電流計算結果分析比較探討[J].電力系統保護與控制，2010，38（1）：56-60.

[15]DL/T 620—1997，交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合[S].