500 k V自耦變壓器中性點經小電抗接地研究

裴星宇

(廣東電網有限責任公司珠海供電局，廣東珠海 519000）

500 k V自耦變壓器中性點經小電抗接地研究

裴星宇

(廣東電網有限責任公司珠海供電局，廣東珠海 519000）

隨著電網規模的不斷擴大，500 k V變電站降壓自耦變壓器中性點直接接地方式下，220 k V側單相短路電流可能超過三相短路電流，甚至超過斷路器額定開斷電流，威脅電網的安全穩定運行。現主要論述了自耦變壓器中性點加裝小電抗對220 k V側單相短路電流限制的原理，結合500 k V國安站中性點加裝小電抗工程，對中性點小電抗阻值選擇、中性點絕緣電壓水平校驗進行了分析。

自耦變壓器；中性點；小電抗；接地；短路電流

0 引言

隨著廣東全社會用電量的不斷增長，電網規模進一步擴大，電網結構不斷增強，系統短路容量逐步增大，由于500 kV變電站大量采用自耦變壓器作為主變壓器，其中性點多采用直接接地方式。隨著500 k V變電站規模的擴大，220 k V側母線及出線單相短路時，短路電流較大，并可能出現單相短路電流超過三相短路電流的情況，甚至出現母線短路電流接近或超過斷路器額定開斷電流的情況，嚴重威脅電網的安全穩定運行。

電力系統中，各類型的短路故障概率大致為:單相短路約65%，兩相接地短路約20%，兩相短路約10%，三相短路約5%。選擇電氣設備時，一般只計算三相短路電流，而沒有校驗單相短路電流，有可能引起開關在斷開單相接地故障短路電流時發生事故。因此，限制短路電流已成為電力系統發展需研究和解決的重要問題。

1 單相短路電流過大的原因

在中性點直接接地系統中，發生單相短路故障時，利用對稱分量法，可計算出單相短路電流有效值為:

發生三相短路故障時，短路電流有效值為:

當X1Σ ≈X2Σ 且X1Σ＞X0Σ 時，由式(1）、(2）可知，同一地點發生接地短路時，單相短路電流會大于三相短路電流。

由于降壓自耦變壓器制造原因，當其中性點直接接地運行時，中壓側電抗通常較小，接近于0[1]。以珠海供電局500 k V國安站2臺自耦變壓器為例，主變各側繞組折算至220 k V側的等值電抗為:XⅠ=8.49Ω，XⅡ=-0.29Ω，XⅢ=23.72Ω。降壓型自耦變壓器中壓側電抗值較小，是220 k V單相短路電流大于三相短路電流的重要原因。

另外，隨著500 k V變電站的逐步增多，中性點直接接地的自耦變壓器零序電抗為并列關系，零序網絡中并列支路增多，總零序電抗進一步減少，短路點處形成總零序阻抗小于總正序阻抗的可能性變大，也是單相短路電流過大的原因之一。

2 單相短路電流過大的限制措施

目前，對單相短路電流限制的方法主要有:

(1）增大500 k V自耦變壓器的短路阻抗。但增大短路阻抗的同時，主變的無功損耗增大，且對系統電壓水平有較大影響。

(2）將500 k V變電站220 k V母線分列運行，增大系統阻抗。但該方式下，將使系統間的聯系削弱，影響系統的可靠性和靈活性。

(3）將自耦變壓器中性點經小電抗接地，改變自耦變壓器零序等值電抗的參數。該措施投資小，線路保護、主變保護、母線保護等常用繼電保護裝置均可滿足可靠判斷、正確動作的要求[2]。該方法目前應用較為普遍。

3 自耦變壓器中性點經小電抗接地分析

3.1 中性點經小電抗接地物理模型

圖1為中性點經小電抗接地的自耦變壓器電流圖及零序電路圖，圖中I·0Ⅰ、I·0Ⅱ、I·0Ⅲ分別為自耦變壓器高壓、中壓、低壓三側零序電流，Xn為中性點小電抗，X′Ⅰ、X′Ⅱ、X′Ⅲ分別為中性點經小電抗接地后，高壓、中壓、低壓三側的等值零序電抗。

圖1 中性點經小電抗接地的自耦變壓器電流圖及零序電路圖

YNyn0d11接線的500 k V自耦變壓器中性點經電抗接地時，其中性點為高壓側、中壓側繞組所共有，中性點電位同時受到2個繞組中零序電流的影響，中性點電位為:

其中，k12=U1N/U2N，為變壓器Ⅰ側和Ⅱ側間的變比。

通過計算可得，圖1(b）中，各側折算到Ⅰ側的等值零序電抗為:

由公式(4）可知，當自耦變壓器中性點經小電抗接地后，各繞組的零序電抗都與中性點小電抗Xn有關，系統零序電抗發生變化，從而限制了220 k V側單相短路電流[3]。

需要注意的是，有資料表明主變中性點加裝小電抗措施對500 k V側單相短路電流限制作用不大，500 k V側單相接地電流主要由500 k V系統提供，幾乎不受中性點小電抗影響[4]。

3.2 500 kV國安站中性點接入小電抗方案

500 k V國安站是珠海電網與省網聯絡的重要樞紐變電站之一。國安站附近有珠海電廠、洪灣電廠、中山嘉明電廠等中大型220 k V電源，220 k V母線短路電流水平較高。

通過仿真計算可得，2011年夏，大方式下國安站220 k V母線三相短路電流44.1 k A，單相短路電流達51.7 k A，超過50 k A，并高出三相短路電流7.6 k A。采取中性點加裝小電抗的措施可降低單相短路電流，提高珠海電網供電的靈活性及可靠性。

對國安站2臺主變中性點分別加裝0Ω、5Ω、10Ω、12Ω、15Ω、20Ω、25Ω的電抗，國安站220 k V母線發生單相短路、兩相接地短路、三相短路時，短路電流計算結果如表1所示。

表1 國安站2臺主變中性點裝設小電抗后短路電流

中性點小電抗阻值變化對短路電流影響曲線如圖2所示。0.29 k A/Ω；小電抗值在15～25Ω范圍內時，單相短路電流單位電抗下降率僅為0.11 k A/Ω。當小電抗值取15Ω時，國安站單相短路電流降至約44.3 k A，低于兩相接地短路電流，約等于三相短路電流。當小電抗值取15Ω以上時，增加小電抗降低單相短路電流的效果已不明顯，對限制短路電流的意義不大。根據式(3），進一步增加小電抗還會增大中性點電壓，甚至可能造成中性點非有效接地。因此，綜合考慮國安站加裝小電抗后應保留一定的裕度，小電抗阻抗值選取15Ω較為合適。

國安站2臺主變中性點加裝15Ω小電抗時，考慮一臺主變轉檢修，其中性點小電抗退出運行的情況下，對國安站短路電流進行校驗。計算結果表明，在主變N-1情況下，國安站220 k V母線單相接地短路電流48.9 k A，兩相接地短路電流47.9 k A，三相短路電流44.1 k A，均不超過50 k A，滿足要求。

3.3 中性點絕緣電壓水平校驗

非對稱接地故障時中性點將流入零序電流，中性點接入小電抗后，根據式(3）中性點電壓會產生偏移，因此需對中性點絕緣電壓水平進行校驗，以滿足過電壓與絕緣的配合。

根據DL/T620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》規程，500 k V變壓器中性點絕緣水平如表2所示[5]。

表2 500 kV變壓器中性點絕緣水平表

圖2 中性點小電抗阻值變化對短路電流影響

由表1和圖2可知，國安站2臺主變中性點經小電抗接地后，隨著電抗阻值的增大，單相短路電流逐步降低。當小電抗值在5～15Ω范圍內時，單相短路電流單位電抗下降率為

中性點經小電抗接地的主變高、中壓公共中性點絕緣電壓水平取66 k V，1 min工頻耐壓為140 k V(有效值），雷電沖擊全波325 k V(峰值）。對近區各種非對稱故障的計算分析表明，500 k V變電站的220 k V母線或出線側發生單相接地短路時，變壓器中性點小電抗的工頻過電壓最高，相應的電流也最大[6]。

2011年大方式下，國安站主變中性點加裝15Ω小電抗、220 k V母線單相接地故障時，計算得出主變中性點小電抗最高工頻電壓為77.60 k V，該電壓值小于中性點絕緣電壓水平取66 k V時的1 min工頻耐壓值140 k V，且裕度較大。因此，國安站主變中性點加裝小電抗后，中性點仍可采用66 k V電壓等級的絕緣水平，原有設備如變壓器中性點支柱絕緣子絕緣水平滿足要求，新建設備絕緣水平也按照66 k V選取。

4 結論

(1）隨著電網規模的不斷擴大，電源和負荷更加密集。目前500 kV變電站大量中性點直接接地自耦變壓器的應用，使電網單相短路電流水平日益增高，并可能出現500 k V變電站220 k V母線單相短路電流超過斷路器額定短路開斷電流的情況。

(2）降壓型自耦變壓器中壓側零序電抗值較小，是220 k V單相短路電流較大的重要原因。通過在變壓器中性點接入一定阻值的小電抗可改變主變零序電抗，對限制220 k V側單相短路電流效果明顯。

(3）自耦變壓器中性點經小電抗接地阻值一般在5～25Ω范圍內，應計算各種情況短路電流，校驗故障時中性點絕緣電壓水平，考慮電網發展規模，對各種影響因素進行綜合分析，選擇合適的電抗阻值。

[1]朱天游.500 k V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(4）

[2]鄭國強.500 k V肥西變電站3號、4號主變壓器中性點加裝小電抗對繼電保護的影響分析[J].安徽電力科技信息，2008(5）

[3]何仰贊，溫增銀.電力系統分析[M].武漢:華中科技大學出版社，2002

[4]程云志，葉幼君.500 k V自耦變壓器中性點裝設小電抗的應用研究[J].華東電力，2006(11）

[5]DL/T620—1997 交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合[S]

[6]鄭國強，傅中，王劉芳，等.500 k V自耦變壓器中性點經小電抗接地的過電壓與絕緣配合分析[J].高壓電器，2009(4）

2014-10-10

裴星宇(1982—），男，貴州貴陽人，工程碩士，工程師，研究方向:電力系統運行及控制。