500 kV變電站220 kV側母線短路過電流防范措施分析

于贊梅，孫凱航，劉 森

(1. 國網河北省電力有限公司石家莊供電分公司，石家莊 050051；2.河北省電力勘測設計研究院，石家莊 050031)

500 kV變電站220 kV側母線短路過電流防范措施分析

于贊梅1，孫凱航2，劉 森2

(1. 國網河北省電力有限公司石家莊供電分公司，石家莊 050051；2.河北省電力勘測設計研究院，石家莊 050031)

針對國網河北省電力有限公司500 kV變電站220 kV側母線單相短路電流超標問題，進行了原因分析，提出了串接小電抗限流的防范措施，并分析網架結構對小電抗限流作用的影響，說明了該措施的應用效果，給出了小電抗阻值的選取和變壓器中性點絕緣配合的工程指導意見。

自耦變壓器；中性點接地小電抗；單相短路電流；絕緣配合

1 概述

近年來，河北省南部電網規模逐步擴大，網架結構聯系越發緊密，電源容量迅速增長，短路電流水平增長迅速，而且由于500 kV自耦變壓器中性點直接接地，使得部分變電站短路電流已經接近了現有設備的額定遮斷容量。短路電流超標制約了網絡規劃、電源和變電站接入、設備選型等，不利于變電站規劃設計。以國網河北省電力有限公司500 kV變電站網架為例，分析如何限制500 kV變電站220 kV側母線的短路電流。結合仿真計算數據，分析了500 kV自耦變壓器加裝中性點小電抗對短路電流的限制效果，并且分析了網架結構對中性點接地小電抗限制單相短路電流效果的影響，最后提出了小電抗參數選取的參考意見。

2 220 kV側母線短路電流激增原因分析

截止2015年底國網河北省電力有限公司共有500 kV變電站16座，其中廣元、慈云、黃驊等站的220 kV側短路電流已經超過了49 kA，存在超標的風險。短路電流激增的主要原因可歸結為以下幾個方面。

a. 電源大規模接入。國網河北省電力有限公司的500 kV變電站集中布置在保定-石家莊-邢臺-邯鄲電力通道上，電網的綜合等值阻抗降低，造成沿線的廉州、保北、石北等變電站短路電流偏高[1]。

b. 國網河北省電力有限公司的500 kV變壓器均為自耦變壓器，高中阻抗較小，且選擇中性點直接接地運行方式，接地點的增多使本站和附近站的零序等值電抗下降，造成了系統單相短路電流偏高。

c. 國網河北省電力有限公司部分500 kV變電站的220 kV側同時接入有大電源，也造成了部分220 kV側電網短路電流快速上升[1]。

3 串接小電抗限流措施及原理

3.1 原理分析

自耦變壓器中性點經小電抗接地的原理如圖1所示，圖2為中性點經電抗接地的自耦變壓器零序等值電路。

圖1 自耦變中性點經小電抗接地原理

圖2 自耦變中性點小電抗接地零序等值電路

設自耦變壓器的III側繞組開路，I、II次端點與中性之間的電位差有名值為UIn、UIIn，中性點電位為Un。當中性點直接接地時Un=0，折算到一次側的一次和二次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網絡電抗值為下式[2-4]：

(1)

當中性點經電抗接地時，則折算到高壓側的等值零序電抗X′(I-II)公式(2)所示。

(2)

同理依次將中、高壓側繞組斷開，可得到折算后高低壓側和中低壓側之間的零序電抗值。按照求三繞組變壓器各等值電抗的計算公式，可以求得星形零序等值電路中折算到高壓側的各電抗為

式中：U1N和U2N分別為變壓器高、中壓側的額定電壓值。

當Xn=0時，即變壓器中性點直接接地時，自耦變壓器由于自身結構問題，其中壓側零序阻抗通常很小或接近于0，從而中壓側母線的單相短路電流值偏大。當中性點經小電抗Xn接地后，此時中壓側零序電抗增加顯著，可以起到減小短路電流的效果。而高壓側等值零序阻抗會有所下降，導致高壓側由中性點提供的短路電流有所增加。

3.2 網架結構對小電抗限流的影響

按照國家電網公司通用設計斷路器遮斷容量標準，220 kV側母線短路電流水平最大為50 kA。但將單相短路電流按照序分量算法進行分解，則需把零序短路電流限制到16.7 kA以下。通過中性點串接小電抗方式使220 kV側零序短路電流下降到16.7 kA，此時故障點零序等值阻抗兩端的電壓降為83 kV左右。如果網架中220 kV母線支路側零序等值阻抗Xbra較小，將無法通過串接小電抗把零序短路電流降低到16.7 kA。文獻[5]表明，當母線支路側零序等值阻抗Xbra小于7 Ω時，則無法通過中性點串接小電抗把零序短路電流降低到16.7 kA，也無法把200 kV側單相短路電流降低到斷路器開斷電流以下。因此，需要改變系統運行網架結構，增大220 kV母線支路側零序等值阻抗Xbra。

4 串接小電抗限流應用效果分析

4.1 仿真分析

短路計算采用了電力系統BPA仿真平臺，內部構建了河北省南部電網所有系統節點。根據國網河北省電力有限公司2014年數據計算的短路電流，國網河北省電力有限公司部分500 kV變電站的220 kV側母線單相短路電流超過了其三相短路電流，表1列出了河北省電力有限公司具有代表性的變電站的短路電流水平。

對上述500 kV變電站內變壓器中性點串接小電抗進行短路計算仿真。圖3仿真計算結果表明，中性點小電抗按5 Ω級差增大至15 Ω時，上述變電站的500 kV母線單相短路電流均出現了下降，下降值小于0.09 kA，說明在500 kV變壓器中串接小電抗對500 kV母線的單相短路電流限制效果不大。因為站內500 kV母線的短路電流主要來源500 kV電網，220 kV電網對其短路電流影響較小；其次高壓側等值零序等值阻抗減小造成的500 kV側零序電流增長，與220 kV側零序電流減小部分抵消。因而500 kV側單相短路電流值變化很小。

表1 500 kV變電站短路電流計算結果 kA

變電站500kV母線220kV母線三相單相三相單相慈云50.0945.6735.3542.17彭村50.5044.4333.5136.92黃驊48.0147.5640.8242.49滄西53.6451.8646.2249.69

圖3 500 kV單相短路電流變化曲線

圖4是慈云、彭村、黃驊、滄西4站主變壓器中性點按5Ω級差串接小電抗后BPA仿真短路電流計算曲線。當在各變電站所有主變壓器中性點串接5 Ω小電抗時，慈云、彭村、黃驊、滄西4站的220 kV側單相計算短路電流下降至35.70 kA、31.54 kA、38.32 kA、41.30 kA，分別減少了6.47 kA、5.38 kA、4.17 kA、8.39 kA，此時除慈云站單相短路流值稍大于三相短路電流值外，其余3個站已低于其三相短路電流值。當小電抗增大至15 Ω時，4個站的220 kV單相短路電流分別下降了10.88 kA、11.30 kA、6.51 kA、8.90 kA，下降率分別為25.80%、30.61%、15.32%、17.91%。由此可見，500 kV自耦變壓器中性點經小電抗接地是限制220 kV單相短路電流比較有效的措施。

圖4 220 kV單相短路電流變化曲線

通過仿真計算，發現隨著主變壓器中性點串接小電抗值增大，220 kV側單相短路電流值最大下降率為30.71%，短路電流值下降已不明顯，小電抗的作用趨于飽和，因此500 kV主變壓器中性點串接小電抗的阻抗值宜為5～15 Ω之間。

4.2 對變壓器中性點絕緣配合的影響分析

在500 kV變電站設計中，雖然變壓器中性點經小電抗接地可以降低220 kV側單相短路電流，但是變壓器的中性點電壓將會發生一定偏移。因為500 kV自耦變壓器的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等于高壓和中壓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，中性點電位值為 。經計算，上述串接阻抗為15Ω時，220 kV側發生單相短路時中性點電壓偏移為41.45 kV、58.84 kV、33.28 kV、31.78 kV。

按照GB/T 50064-2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范》相關規定[6]：500 kV主變壓器中性點直接接地，雷電全波和截波為185 kV，1 min短時工頻電壓為85 kV；500 kV主變壓器中性點經接地電抗器接地，雷電全波和截波為325 kV，1 min短時工頻電壓為140 kV。在海拔高度不超過1 000 m時，35 kV等級1 min工頻耐受電壓為80/85，66 kV等級1 min工頻耐受電壓為150 kV。因此500 kV自耦變壓器采用分級絕緣時，若主變壓器中性點直接接地，中性點絕緣水平為35 kV；若主變壓器經阻抗接地，中性點絕緣水平為66 kV。為防止發生雷擊時變壓器中性點過電壓，并可在中性點裝設避雷器，使保護設備正確識別和可靠動作。

5 結論

a. 500 kV自耦變壓器中性點經小電抗接地，對500 kV母線側單相短路電流限制作用有限。

b. 500 kV自耦變壓器中性點經小電抗接地，可以有效限制220 kV側母線單相短路電流值。但隨著小電抗值的增大，對單相短路電流限制效果趨于飽和。因此，建議選擇中性點小電抗阻值為5～15 Ω。

c. 當220 kV側母線零序阻抗大于7 Ω時，可以通過增加小電抗方式限制220 kV短路電流為50 kA以下。220 kV側母線零序阻抗小于7 Ω時，無法通過增加小電抗的阻值達到限制短路電流的效果。需要采取其它限流措施降低短路電流水平。

d. 自耦變壓器串接小電抗接地后，需要核算主變壓器中性點的短路耐受電壓。

[1] 李曉明，趙琛瓏，段曉波，等．河北省南部電網短路電流分析及限制措施[J]．河北電力技術，2010，29(1)：36-38．

[2] 李光琦．電力系統暫態分析[M]．北京：中國電力出版社，2007．

[3] 陳 珩．電力系統穩態分析[M]．北京：中國電力出版社，2007．

[4] 程云志，葉幼君．500 kV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．

[5] 梁紀峰，劉文穎，梁 才，等．500 kV自耦變中性點串接小電抗對接地短路電流限制效果分析[J]．電力系統保護與控制，2011，39(13)：96-99，110．

[6] GB/T 50064-2014，交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范[S]．

s:By analyzing the causes of overcurrent in Hebei Power Corporation，series neutral reactor is proposed to reduce the 500kV substation's 220kV bus circuit. And this article has a discussion for the influence of grid structure on series neutral reactor，the simulation calculation verifies the positivity effect. In the end，this paper gives the advice for the selection of the series neutral reactor values and transformer neutral insulation coordination.

autotransformer;neutral grounding reactor;single-phase short-circuit current;insulation coordination

2017-08-03

于贊梅(1980-)，女，高級工程師，主要從事電力系統調控運行、繼電保護工作。

TM411.3

B

1001-9898(2017)06-0035-04

Analysis of Precautionary Measures for Reducing 500 kV Substation 220 kV Bus Circuit

Yu Zanmei1，Sun Kaihang2，Liu Sen2

(1.State Grid Hebei Electric Power Company Co.Ltd. Shijiazhuang Power Supply Branch,Shijiazhuang 050051,China;2.Hebei Electric Power Design & Research Institute,Shijiazhuang 050031,China)

本文責任編輯：靳書海