±1100 kV分層接入換流站短路電流計算及地網(wǎng)設(shè)計研究

曾維雯，韓毅博，陳 晨，李浩原，周思遠(yuǎn)，謝 龍

(中國電力工程顧問集團中南電力設(shè)計院有限公司, 湖北 武漢 430071)

0 引 言

昌吉—古泉±1100 kV特高壓直流輸電工程是目前世界上具備最高電壓等級、最大輸送容量、最遠(yuǎn)輸送距離、最先進技術(shù)的特高壓直流輸電工程。昌吉—古泉特高壓工程的建設(shè)，極大緩解了華東地區(qū)“十三五”期間電力供需矛盾，滿足了受端地區(qū)經(jīng)濟及負(fù)荷快速增長需要，保障了華東地區(qū)社會經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展[1]。吉泉直流工程的勘測設(shè)計、設(shè)備制造、施工調(diào)試經(jīng)驗，為今后國內(nèi)外直流工程建設(shè)提供了有價值的技術(shù)資料。±1100 kV古泉換流站是吉泉直流受端換流站，換流站網(wǎng)側(cè)采用分層接入[2]方式，分別接入1000 kV和500 kV交流系統(tǒng)。短路電流計算及接地設(shè)計是工程設(shè)計的重要內(nèi)容，隨著電網(wǎng)規(guī)模逐步擴大，系統(tǒng)接地短路電流也呈現(xiàn)上升趨勢，對人身安全、弱電設(shè)備抗干擾性能等方面也提出了更高的要求，因此，接地網(wǎng)的可靠設(shè)計對換流站的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。對于古泉這種具有分層接入方式的特殊換流站，需要對不同的接入點，基于換流站各種運行方式來計算短路電流，并用于指導(dǎo)設(shè)備選型和接地網(wǎng)設(shè)計。

1 換流站分層接入特點

特高壓換流站交流常規(guī)接入方式和分層接入方式如圖1所示。常規(guī)接入方式為單層接入500 kV或750 kV系統(tǒng)，全部直流功率接入單個交流落點，不利于電網(wǎng)潮流疏散；分層接入方式將換流變壓器網(wǎng)側(cè)分別接入500 kV和1000 kV系統(tǒng)，改善了直流功率在不同電壓層級電網(wǎng)的分布情況，并降低了交流電網(wǎng)電壓失穩(wěn)風(fēng)險[3]，增強了電網(wǎng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。

圖1 換流站接入方式

2 系統(tǒng)短路電流計算

2.1 系統(tǒng)參數(shù)

換流站系統(tǒng)接線如圖2所示。基準(zhǔn)容量Sj=100 MVA，基準(zhǔn)電壓Uj1-1000=1050 kV，Uj1-500=525 kV，Uj2=10.5 kV。

圖2 換流站系統(tǒng)接線

1)系統(tǒng)阻抗

根據(jù)系統(tǒng)資料，1000 kV系統(tǒng)等值正、負(fù)序阻抗X11-1000=X21-1000=0.002 025，系統(tǒng)零序等值阻抗X01-1000=0.002 398；500 kV系統(tǒng)等值正、負(fù)序阻抗X11-500=X21-500=0.002 398，系統(tǒng)零序等值阻抗X01-1000=0.002 69；1000 kV與500 kV等值正、負(fù)序阻抗X11-1000～500=X21-1000～500=0.040 2，系統(tǒng)零序等值阻抗X01-1000～500=0.628 5。

2)換流變壓器參數(shù)

8組容量為Se1=3×587.1 MVA換流變壓器，低端4組連接1000 kV母線，高端4組連接500 kV母線，其中YN/y和YN/d連接各4組，每組由3臺單相雙繞組變壓器組成，阻抗壓降Ud1=22%。可計算得單組換流變壓器正、負(fù)、零序等值阻抗為X12=X22=X02=0.012 49。

3)高壓站用變壓器參數(shù)

2臺容量為Se2=40 MVA的500 kV/10 kV三相變壓器，阻抗壓降Ud2=12%。可計算得單臺高壓站用變壓器正、負(fù)、零序等值阻抗為X13=X23=X03=0.3。

2.2 三相對稱短路電流計算

換流站系統(tǒng)正、負(fù)序等值阻抗如圖3所示。

圖3中X11-1000、X11-500、X11-1000～500為系統(tǒng)正序等值阻抗，X13為單臺500 kV/10 kV高壓站用變壓器正序等值阻抗。三相對稱短路電流計算如式(1)所示[4]。

圖3 系統(tǒng)正、負(fù)序等值阻抗

(1)

三相對稱短路電流計算結(jié)果如表1所示。

表1 三相對稱短路電流計算結(jié)果

2.3 兩相短路電流計算

兩相對稱短路電流計算如式(2)所示[4]。

(2)

兩相短路電流計算結(jié)果如表2所示。

表2 兩相短路電流計算結(jié)果

2.4 兩相接地及單相短路電流計算

兩相接地及單相短路需考慮零序網(wǎng)絡(luò)的影響，其中YY變壓器零序阻抗為無窮大，Y△變壓器零序阻抗與正序阻抗相同[4]。換流站系統(tǒng)零序等值阻抗如圖4所示，圖中X01-1000、X01-500、X01-1000-500為系統(tǒng)零序等值阻抗，X02為換流變壓器零序阻抗，X03為高壓站用變壓器零序阻抗。

圖4 系統(tǒng)零序等值阻抗

單相接地短路電流計算如式(3)所示[4]。

(3)

兩相接地短路電流計算如式(4)所示[4]。

(4)

計入零序阻抗后，需考慮換流站不同的運行方式。換流站兩相接地及單相短路電流計算結(jié)果如表3所示。

表3 兩相接地及單相短路電流計算結(jié)果

3 入地短路電流計算

3.1 交流入地短路電流

根據(jù)換流站交流側(cè)接線方式，在站內(nèi)1000 kV母線短路時，站內(nèi)側(cè)的短路電流通過1000 kV換流變壓器阻抗、500 kV換流變壓器阻抗(由1000 kV～500 kV系統(tǒng)互阻抗連接到1000 kV母線)經(jīng)“本站變壓器高壓側(cè)—本站母線—本站接地網(wǎng)金屬導(dǎo)體(未經(jīng)過大地土壤)—本站變壓器中性點”流通，系統(tǒng)側(cè)的短路電流通過1000 kV系統(tǒng)阻抗、500 kV系統(tǒng)阻抗(由1000 kV～500 kV系統(tǒng)互阻抗連接到1000 kV母線)經(jīng)“系統(tǒng)內(nèi)其他變壓器高壓側(cè)—其他站母線—輸電線路—本站母線—本站接地網(wǎng)—大地土壤—其他站接地網(wǎng)—其他站變壓器中性點”流通。500 kV母線短路時情況類似，站外短路則反之。因此，站內(nèi)短路時，用于接地網(wǎng)設(shè)計的入地短路電流取系統(tǒng)側(cè)短路電流分量；站外短路時取站內(nèi)側(cè)短路電流分量[5]。

站內(nèi)點短路時的入地電流為

Ig，in=Imax(1,2)×X0Σ23/(X0Σ23+X01)

(5)

站外點短路時的入地電流為

Ig，out=Imax(1,2)×X01/(X0Σ23+X01)

(6)

式中：Imax(1,2)為單相接地短路電流和兩相接地短路電流中的較大值，kA；X0Σ23為站內(nèi)合成零序阻抗(標(biāo)幺值)；X01為系統(tǒng)零序合成阻抗(標(biāo)幺值)。

在計算合成阻抗時，同樣需要考慮換流站不同運行方式的影響。換流站交流側(cè)入地短路電流計算結(jié)果如表4所示。

表4 交流側(cè)入地短路電流計算結(jié)果

根據(jù)表4計算結(jié)果可知，未考慮避雷線分流系數(shù)時，1000 kV站內(nèi)短路時的最大入地短路電流為26.36 kA，站外短路時的最大入地短路電流為8.5 kA；500 kV站內(nèi)短路時的最大入地短路電流為45.18 kA，站外短路時的最大入地短路電流為17.11 kA。

3.2 直流入地短路電流

換流站直流側(cè)最大入地短路電流可按式(7)計算[6]。

(7)

式中：Icrest為晶閘管閥橋與平波電抗器之間直流極線對地短路時的短路電流，kA；Id為長時間過負(fù)荷直流電流，kA；IdN為額定直流電流，kA；dx為直流側(cè)感性壓降(標(biāo)幺值)；Udioabs max為絕對最大空載電壓，kV；UdioN為標(biāo)稱理想空載電壓，kV。

計算求得Icrest=35.53 kA。考慮到直流側(cè)短路時將立即觸發(fā)單極閉鎖，瞬時短路電流持續(xù)時間短，因此，一般以交流側(cè)的短路電流來考核接地網(wǎng)的接地電阻。

3.3 避雷線的分流

根據(jù)文獻(xiàn)[7]給出的計算方法，當(dāng)考慮線路避雷線的分流效應(yīng)后，接地網(wǎng)入地短路電流如表5所示。

表5 入地短路電流(考慮分流系數(shù)后)

根據(jù)文獻(xiàn)[8]表B.0.3，取系統(tǒng)參數(shù)X/R=20，故障時延tf=0.35 s，則故障衰減系數(shù)Df=1.1。

因此，換流站最大接地故障不對稱電流有效值為

IG=max(Ig,in，Ig,out)×Df=24.41 kA

(8)

4 接地網(wǎng)設(shè)計參數(shù)計算

4.1 接地體截面選擇

接地引下線熱穩(wěn)定截面按式(9)選取[8]。

(9)

式中：te為短路的等效持續(xù)時間，取0.35 s；c為接地線材料的熱穩(wěn)定系數(shù)，銅材取c=249；Id為短路電流，kA，考慮遠(yuǎn)期電網(wǎng)發(fā)展，取系統(tǒng)最大短路電流水平63 kA。

代入計算得接地引下線最小熱穩(wěn)定截面為Sg為149.7 mm2。水平接地網(wǎng)熱穩(wěn)定截面按0.75Sg，取112.3 mm2。考慮到銅材料的腐蝕，換流站水平接地網(wǎng)選擇150 mm2鍍錫銅絞線，引下線選擇-50×4 mm的鍍錫銅排，垂直接地體采用直徑17.2 mm、長2.5 m的鍍銅鋼棒。

4.2 接地電阻計算

接地電阻計算[8]如式(10)。

(10)

式中：ρ為土壤電阻率，取186.42 Ω·m；S為站址面積，取275 000 m2。

計算得接地電阻值為0.178 Ω。

在采取一系列措施后[8]，接地電阻限制值按式(11)計算。

(11)

代入得Rlim=0.204 Ω。因此該項目接地電阻滿足要求。

4.3 安全電位校驗

1)地電位升

由最大接地故障不對稱電流和接地電阻計算值相乘可得最大地電位升Ugpr為4.35 kV。

2)接觸電位差

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，計算接觸電位差限制值Ut為536 V，最大接觸電位差Utm為771 V，考慮人站在絕緣地坪上,地表土壤電阻率取ρs=5000 Ω·m，則可提升接觸電位差限制值Ut到1511 V。

因此，當(dāng)人站在土壤地表時，本站最大接觸電位差不滿足要求；當(dāng)人站在絕緣地坪上時滿足要求。故要求在運行人員需要日常操作的區(qū)域設(shè)置絕緣地坪。

3)跨步電位差

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，計算跨步電位差限制值為Us為1291 V，最大跨步電位差Usm為317 V。因此，本站最大跨步電位差滿足要求。

4)軟件仿真

采用CYMGrd軟件對接地網(wǎng)進行仿真計算，安全電位仿真值分別如圖5和圖6所示。可看出軟件仿真的接觸電位差和跨步電位差與計算結(jié)果基本一致。

圖5 安全電位仿真值(未采用絕緣地坪)

圖6 安全電位仿真值(采用絕緣地坪)

5 結(jié) 語

上面研究了±1100 kV分層接入交流系統(tǒng)的特高壓換流站短路電流計算方法及接地網(wǎng)設(shè)計參數(shù)，得到的主要結(jié)論如下：

1)換流站短路電流計算應(yīng)選取三相短路、兩相短路、兩相接地、單相短路分別計算，其中三相短路、兩相短路屬于對稱短路，用于校驗設(shè)備選型；兩相接地、單相短路屬于不對稱短路，用于校驗接地網(wǎng)設(shè)計。

2)對于交流分層接入電網(wǎng)的換流站，要考慮不同的交流母線短路點，分別計算站內(nèi)、站外短路的情況，并在考慮避雷線分流系數(shù)和故障衰減系數(shù)后，取最大值作為最大接地故障不對稱電流。

3)接地網(wǎng)設(shè)計應(yīng)校驗接地體熱穩(wěn)定、安全電位、接地電阻控制指標(biāo)，其中安全電位包括地電位升、跨步電位差、接觸電位差。最大接地故障不對稱電流下的地電位升不超過5000 V，這一數(shù)值決定了全站接地電阻的控制值。