500 kV變電站主變中性點小電抗工頻過電壓計算研究

韓志錕，王震泉，許文超，甄宏寧，牛 濤

（中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，江蘇 南京 211102）

500 kV變電站主變中性點小電抗工頻過電壓計算研究

韓志錕，王震泉，許文超，甄宏寧，牛 濤

（中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，江蘇 南京 211102）

本文研究了500 kV變電站主變中性點加裝小電抗后，故障工況下中性點的工頻過電壓理論，提出一種計算方法，對江蘇省內(nèi)某500 kV變電站主變中性點加裝小電抗后，故障時中性點工頻過電壓進行計算研究，利用計算結(jié)果進行相關設備的絕緣配合。該方法簡便快捷，有助于業(yè)內(nèi)提高該項工作的效率。

變電站；中性點；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)絡結(jié)構(gòu)日益加強，同時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，這對電網(wǎng)的安全可靠運行帶來隱患。在500 kV變電站主變中性點加裝小電抗，是最直接有效的限制單相短路電流措施，同時不影響網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的完整性及安全性。

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

本文研究了主變中性點小電抗工頻過電壓理論原理，提出計算方法，基于電力系統(tǒng)分析軟件（Power System Department，PSD），對江蘇省內(nèi)某500 kV變電站主變中性點加裝小電抗后的工頻過電壓，進行計算研究，并對相關設備的絕緣配合進行校驗。最后對該項技術(shù)進行總結(jié)，并對今后實際工程中的應用進行展望。

2　中性點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

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

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

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小電抗上產(chǎn)生的工頻過電壓情況更為嚴重，所以采用單相接地短路的方式計算其工頻過電壓。

圖2中，U1'、U2'分別是發(fā)生單相短路時，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。

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

推導得到：

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

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

則單相短路造成的主變中性點小電抗工頻過電壓為：

根據(jù)圖2，系統(tǒng)單相短路后，在短路接地點產(chǎn)生零序電壓，進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、500 kV系統(tǒng)、220 kV系統(tǒng)的接地支路流入大地。

主變中性點工頻過電壓由中性點小電抗阻值和流經(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，則中性點工頻過電壓越大。

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

主變小方式運行也可能會造成流經(jīng)每臺主變中性點的零序電流增大，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)母線分列運行方式等。

3　工程算例

為加強鹽城地區(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500 kV濱響輸變電工程。濱響輸變電工程的投運提高了500 kV潘蕩變220 kV母線單相短路電流，經(jīng)短路電流計算，潘蕩主變需加裝10Ω中性點小電抗。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

為校驗加裝中性點小電抗對主變中性點及中性點電抗器避雷器的過電壓及絕緣配合影響，為設備選擇提供依據(jù)，需進行中性點電抗器的工頻過電壓計算。

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)年及遠景年江蘇電網(wǎng)仿真數(shù)據(jù)，以此進行潘蕩變加裝中性點小電抗后，故障時造成的中性點工頻過電壓情況，結(jié)果見表1、表2。

根據(jù)計算結(jié)果，總體來說主變N-1方式、220 kV母線單相短路時中性點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，中性點工頻過電壓相對更高。該結(jié)果也驗證了前文理論分析的結(jié)論。

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

經(jīng)核算，表1、表2采用計算結(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算工作。實際工程設計工作中可以該結(jié)果作為設備選擇依據(jù)。

投產(chǎn)年和遠景年潘蕩變中性點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)選擇相關電氣設備。

由于遠景年江蘇500 kV網(wǎng)架密集，而220 kV電網(wǎng)鹽城北部獨立成片，所以對于潘蕩變，其遠景年外部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，500 kV線路全斷的方式遠景年中性點過電壓大；而220 kV線路全斷的方式下遠景年中性點過電壓反倒小。總體來說，對比投產(chǎn)年潘蕩變中性點小電抗工頻過電壓計算結(jié)論，遠景年中性點過電壓最大值相對較小，這與該地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃發(fā)展規(guī)律是相符的。

4　相關設備的絕緣配合與選擇

4.1主變中性點絕緣校核

目前我國電網(wǎng)系統(tǒng)中，500 kV變壓器的中性點一般采用66 kV電壓等級的絕緣水平，在該電壓等級下設備的額定工頻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。

校驗時，要滿足：

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

（2） 325 kVpk/中性點避雷器雷電沖擊電流殘壓≥1.25；

（3） 270 kVpk/中性點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

表2　遠景年各種方式下潘蕩變工頻過電壓情況統(tǒng)計

4.2中性點小電抗絕緣校核

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

4.3中性點避雷器參數(shù)選擇

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

典型的變壓器中性點用避雷器參數(shù)見表3。

表3　典型的變壓器中性點用避雷器參數(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≥故障時中性點小電抗上產(chǎn)生的最大工頻過電壓。

（2） 設備雷電沖擊耐受電壓/中性點避雷器雷電沖擊電流殘壓≥1.25。

（3） 設備操作沖擊耐受電壓/中性點避雷器操作沖擊電流殘壓≥1.15。

實際工程設計中，主變中性點小電抗的最大工頻過電壓值對上述設備的絕緣校核具有關鍵性作用，由其選定相應額定電壓等級的中性點避雷器，進而由該避雷器的雷電、操作沖擊電流殘壓值參數(shù)，根據(jù)相關絕緣配合規(guī)范要求校驗主變中性點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加裝小電抗后，系統(tǒng)故障方式下主變中性點工頻過電壓的理論原理，據(jù)此得到計算方法，并基于PSD軟件，將該計算方法應用于實際工程。綜合各種計算方式，得到主變中性點小電抗工頻過電壓參考值，依此進行絕緣配合校驗及設備選擇。

目前該方法已經(jīng)用于實際工程，實踐證明，該方法簡便快捷，結(jié)果具有較好的參考價值，計算具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，對解決設備選擇的實際問題，提高工作效率有較好的效果。

［1］ 崔勇， 郭強， 楊增輝. 華東500 kV主變中性點小電抗參數(shù)的選取［J］. 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和絕緣配合設計規(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)劃設計咨詢工作。