500 k V自耦变压器中性点经小电抗接地研究

2014-10-10裴星宇

机电信息 2014年33期

关键词：电抗国安单相

裴星宇

(广东电网有限责任公司珠海供电局，广东珠海 519000）

500 k V自耦变压器中性点经小电抗接地研究

裴星宇

(广东电网有限责任公司珠海供电局，广东珠海 519000）

随着电网规模的不断扩大，500 k V变电站降压自耦变压器中性点直接接地方式下，220 k V侧单相短路电流可能超过三相短路电流，甚至超过断路器额定开断电流，威胁电网的安全稳定运行。现主要论述了自耦变压器中性点加装小电抗对220 k V侧单相短路电流限制的原理，结合500 k V国安站中性点加装小电抗工程，对中性点小电抗阻值选择、中性点绝缘电压水平校验进行了分析。

自耦变压器；中性点；小电抗；接地；短路电流

0 引言

随着广东全社会用电量的不断增长，电网规模进一步扩大，电网结构不断增强，系统短路容量逐步增大，由于500 kV变电站大量采用自耦变压器作为主变压器，其中性点多采用直接接地方式。随着500 k V变电站规模的扩大，220 k V侧母线及出线单相短路时，短路电流较大，并可能出现单相短路电流超过三相短路电流的情况，甚至出现母线短路电流接近或超过断路器额定开断电流的情况，严重威胁电网的安全稳定运行。

电力系统中，各类型的短路故障概率大致为:单相短路约65%，两相接地短路约20%，两相短路约10%，三相短路约5%。选择电气设备时，一般只计算三相短路电流，而没有校验单相短路电流，有可能引起开关在断开单相接地故障短路电流时发生事故。因此，限制短路电流已成为电力系统发展需研究和解决的重要问题。

1 单相短路电流过大的原因

在中性点直接接地系统中，发生单相短路故障时，利用对称分量法，可计算出单相短路电流有效值为:

发生三相短路故障时，短路电流有效值为:

当X1Σ ≈X2Σ 且X1Σ＞X0Σ 时，由式(1）、(2）可知，同一地点发生接地短路时，单相短路电流会大于三相短路电流。

由于降压自耦变压器制造原因，当其中性点直接接地运行时，中压侧电抗通常较小，接近于0[1]。以珠海供电局500 k V国安站2台自耦变压器为例，主变各侧绕组折算至220 k V侧的等值电抗为:XⅠ=8.49Ω，XⅡ=-0.29Ω，XⅢ=23.72Ω。降压型自耦变压器中压侧电抗值较小，是220 k V单相短路电流大于三相短路电流的重要原因。

另外，随着500 k V变电站的逐步增多，中性点直接接地的自耦变压器零序电抗为并列关系，零序网络中并列支路增多，总零序电抗进一步减少，短路点处形成总零序阻抗小于总正序阻抗的可能性变大，也是单相短路电流过大的原因之一。

2 单相短路电流过大的限制措施

目前，对单相短路电流限制的方法主要有:

(1）增大500 k V自耦变压器的短路阻抗。但增大短路阻抗的同时，主变的无功损耗增大，且对系统电压水平有较大影响。

(2）将500 k V变电站220 k V母线分列运行，增大系统阻抗。但该方式下，将使系统间的联系削弱，影响系统的可靠性和灵活性。

(3）将自耦变压器中性点经小电抗接地，改变自耦变压器零序等值电抗的参数。该措施投资小，线路保护、主变保护、母线保护等常用继电保护装置均可满足可靠判断、正确动作的要求[2]。该方法目前应用较为普遍。

3 自耦变压器中性点经小电抗接地分析

3.1 中性点经小电抗接地物理模型

图1为中性点经小电抗接地的自耦变压器电流图及零序电路图，图中I·0Ⅰ、I·0Ⅱ、I·0Ⅲ分别为自耦变压器高压、中压、低压三侧零序电流，Xn为中性点小电抗，X′Ⅰ、X′Ⅱ、X′Ⅲ分别为中性点经小电抗接地后，高压、中压、低压三侧的等值零序电抗。

图1 中性点经小电抗接地的自耦变压器电流图及零序电路图

YNyn0d11接线的500 k V自耦变压器中性点经电抗接地时，其中性点为高压侧、中压侧绕组所共有，中性点电位同时受到2个绕组中零序电流的影响，中性点电位为:

其中，k12=U1N/U2N，为变压器Ⅰ侧和Ⅱ侧间的变比。

通过计算可得，图1(b）中，各侧折算到Ⅰ侧的等值零序电抗为:

由公式(4）可知，当自耦变压器中性点经小电抗接地后，各绕组的零序电抗都与中性点小电抗Xn有关，系统零序电抗发生变化，从而限制了220 k V侧单相短路电流[3]。

需要注意的是，有资料表明主变中性点加装小电抗措施对500 k V侧单相短路电流限制作用不大，500 k V侧单相接地电流主要由500 k V系统提供，几乎不受中性点小电抗影响[4]。

3.2 500 kV国安站中性点接入小电抗方案

500 k V国安站是珠海电网与省网联络的重要枢纽变电站之一。国安站附近有珠海电厂、洪湾电厂、中山嘉明电厂等中大型220 k V电源，220 k V母线短路电流水平较高。

通过仿真计算可得，2011年夏，大方式下国安站220 k V母线三相短路电流44.1 k A，单相短路电流达51.7 k A，超过50 k A，并高出三相短路电流7.6 k A。采取中性点加装小电抗的措施可降低单相短路电流，提高珠海电网供电的灵活性及可靠性。

对国安站2台主变中性点分别加装0Ω、5Ω、10Ω、12Ω、15Ω、20Ω、25Ω的电抗，国安站220 k V母线发生单相短路、两相接地短路、三相短路时，短路电流计算结果如表1所示。

表1 国安站2台主变中性点装设小电抗后短路电流

中性点小电抗阻值变化对短路电流影响曲线如图2所示。0.29 k A/Ω；小电抗值在15～25Ω范围内时，单相短路电流单位电抗下降率仅为0.11 k A/Ω。当小电抗值取15Ω时，国安站单相短路电流降至约44.3 k A，低于两相接地短路电流，约等于三相短路电流。当小电抗值取15Ω以上时，增加小电抗降低单相短路电流的效果已不明显，对限制短路电流的意义不大。根据式(3），进一步增加小电抗还会增大中性点电压，甚至可能造成中性点非有效接地。因此，综合考虑国安站加装小电抗后应保留一定的裕度，小电抗阻抗值选取15Ω较为合适。

国安站2台主变中性点加装15Ω小电抗时，考虑一台主变转检修，其中性点小电抗退出运行的情况下，对国安站短路电流进行校验。计算结果表明，在主变N-1情况下，国安站220 k V母线单相接地短路电流48.9 k A，两相接地短路电流47.9 k A，三相短路电流44.1 k A，均不超过50 k A，满足要求。

3.3 中性点绝缘电压水平校验

非对称接地故障时中性点将流入零序电流，中性点接入小电抗后，根据式(3）中性点电压会产生偏移，因此需对中性点绝缘电压水平进行校验，以满足过电压与绝缘的配合。

根据DL/T620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规程，500 k V变压器中性点绝缘水平如表2所示[5]。

表2 500 kV变压器中性点绝缘水平表

图2 中性点小电抗阻值变化对短路电流影响

由表1和图2可知，国安站2台主变中性点经小电抗接地后，随着电抗阻值的增大，单相短路电流逐步降低。当小电抗值在5～15Ω范围内时，单相短路电流单位电抗下降率为

中性点经小电抗接地的主变高、中压公共中性点绝缘电压水平取66 k V，1 min工频耐压为140 k V(有效值），雷电冲击全波325 k V(峰值）。对近区各种非对称故障的计算分析表明，500 k V变电站的220 k V母线或出线侧发生单相接地短路时，变压器中性点小电抗的工频过电压最高，相应的电流也最大[6]。

2011年大方式下，国安站主变中性点加装15Ω小电抗、220 k V母线单相接地故障时，计算得出主变中性点小电抗最高工频电压为77.60 k V，该电压值小于中性点绝缘电压水平取66 k V时的1 min工频耐压值140 k V，且裕度较大。因此，国安站主变中性点加装小电抗后，中性点仍可采用66 k V电压等级的绝缘水平，原有设备如变压器中性点支柱绝缘子绝缘水平满足要求，新建设备绝缘水平也按照66 k V选取。