500 kV变电站主变中性点小电抗工频过电压计算研究

韩志锟，王震泉，许文超，甄宏宁，牛 涛

（中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211102）

500 kV变电站主变中性点小电抗工频过电压计算研究

韩志锟，王震泉，许文超，甄宏宁，牛 涛

（中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211102）

本文研究了500 kV变电站主变中性点加装小电抗后，故障工况下中性点的工频过电压理论，提出一种计算方法，对江苏省内某500 kV变电站主变中性点加装小电抗后，故障时中性点工频过电压进行计算研究，利用计算结果进行相关设备的绝缘配合。该方法简便快捷，有助于业内提高该项工作的效率。

变电站；中性点；小电抗；工频过电压。

1　概述

随着江苏电网的快速发展，网络结构日益加强，同时自耦变压器被广泛使用，电网单相短路电流水平不断增高，省内多个500 kV变电站220 kV母线单相短路电流水平，超过断路器遮断电流限值，这对电网的安全可靠运行带来隐患。在500 kV变电站主变中性点加装小电抗，是最直接有效的限制单相短路电流措施，同时不影响网架结构的完整性及安全性。

相比主变中性点直接接地，主变中性点加装小电抗后，发生系统母线或线路单相接地短路、两相短路时，将会在主变中性点和小电抗上产生工频过电压。上述过电压及其绝缘配合将对主变、中性点电抗器、中性点电抗器的避雷器等设备的选择产出影响。

本文研究了主变中性点小电抗工频过电压理论原理，提出计算方法，基于电力系统分析软件（Power System Department，PSD），对江苏省内某500 kV变电站主变中性点加装小电抗后的工频过电压，进行计算研究，并对相关设备的绝缘配合进行校验。最后对该项技术进行总结，并对今后实际工程中的应用进行展望。

2　中性点小电抗工频过电压理论原理

江苏省内既有及新建的500 kV变电站一般均采用三相自耦变压器，接线形式为YNa0d11，图1为此类变压器电路原理图。

图1　YNa0d11型500 kV变压器电路原理图

若主变500 kV母线发生单相接地短路故障，则该变压器及系统的零序等值电路见图2。

图2　YNa0d11型500 kV变压器零序等值电路图

对主变参数进行折算，其中UI-II%、UI-III%、UII-III%为主变高—中、高—低、中—低侧阻抗电压。

考虑主变中性点加装阻值为Xn的中性点小电抗，则折算后主变高、中、低侧零序阻抗分别为（标幺值）：

得到的X1'、X2'、X3'即为图2的零序阻抗。

系统单相接地短路比两相短路在主变中性点小电抗上产生的工频过电压情况更为严重，所以采用单相接地短路的方式计算其工频过电压。

图2中，U1'、U2'分别是发生单相短路时，500 kV母线和220 kV母线上的零序电压值；I1'、I2'分别为主变高、中压侧等值电路零序电流；I3'为主变零序等值电路的入地零序电流。

利用计算软件仿真计算，如500 kV母线单相接地故障时，计算得到U1'、I1'值，并利用等式：

推导得到：

同理，如果如220 kV母线单相接地故障时，用仿真计算软件计算得到U2'、I2'值，得到：

将主变高、中压侧等值电路零序电流标幺值I1'、I2'折算为有名值I1、I2，计算可得主变高压侧、中压侧流向中性点的单相短路电流为3I1、3I2。则经主变中性点流入地的单相短路电流为：

则单相短路造成的主变中性点小电抗工频过电压为：

根据图2，系统单相短路后，在短路接地点产生零序电压，进而在零序等值电路中产生电流；该电流分别经主变中性点、500 kV系统、220 kV系统的接地支路流入大地。

主变中性点工频过电压由中性点小电抗阻值和流经其电流决定，经主变回路流入地的零序电流越大、小电抗阻值越大，则中性点工频过电压越大。

500kV、220 kV系统小方式运行时，系统阻抗较大，其分流作用减弱，一般会增大经主变回路入地的零序电流，会造成中性点工频过电压更大。

主变小方式运行也可能会造成流经每台主变中性点的零序电流增大，这种情况包括主变检修或故障的N-1方式、变电站220 kV侧母线分列运行方式等。

3　工程算例

为加强盐城地区北电网结构，提高电网的供电可靠性，2017年规划建设500 kV滨响输变电工程。滨响输变电工程的投运提高了500 kV潘荡变220 kV母线单相短路电流，经短路电流计算，潘荡主变需加装10Ω中性点小电抗。投产年潘荡变供电区域主要电网结构见图3。

图3　投产年潘荡变供电区域主要电网结构示意图

为校验加装中性点小电抗对主变中性点及中性点电抗器避雷器的过电压及绝缘配合影响，为设备选择提供依据，需进行中性点电抗器的工频过电压计算。

基于PSD，依据江苏电网最新规划成果，分别搭滨响变建投产年及远景年江苏电网仿真数据，以此进行潘荡变加装中性点小电抗后，故障时造成的中性点工频过电压情况，结果见表1、表2。

根据计算结果，总体来说主变N-1方式、220 kV母线单相短路时中性点工频过电压水平较高；系统出线回路数越少，系统阻抗越大，中性点工频过电压相对更高。该结果也验证了前文理论分析的结论。

经过多种计算方式的核对，主变N-1时220 kV出线全断的计算结果最大，该运行方式较少见，只存在于某种操作过渡阶段。实际电网运行方式千变万化，有相关研究曾采用其他运行方式进行计算分析：①单台主变运行；②单台主变带单条220 kV线路运行；③主变N-1时4条线路停运检修方式；④220 kV母线分段运行方式等。

经核算，表1、表2采用计算结果既能涵盖各种情况，避免遗漏极端方式并留有一定裕度；又能采用固定方式以较小的工作量得到结果，避免了大量不同方式的计算工作。实际工程设计工作中可以该结果作为设备选择依据。

投产年和远景年潘荡变中性点最大工频电压分别为62.21 kV、61.91 kV，考虑1.05倍的裕度，分别为65.32 kV、65.01 kV，以此数据选择相关电气设备。

由于远景年江苏500 kV网架密集，而220 kV电网盐城北部独立成片，所以对于潘荡变，其远景年外部500 kV系统阻抗较投产年小，220 kV系统阻抗较投产年大。因而造成了220 kV母线单相短路时，500 kV线路全断的方式远景年中性点过电压大；而220 kV线路全断的方式下远景年中性点过电压反倒小。总体来说，对比投产年潘荡变中性点小电抗工频过电压计算结论，远景年中性点过电压最大值相对较小，这与该地区电网规划发展规律是相符的。

4　相关设备的绝缘配合与选择

4.1主变中性点绝缘校核

目前我国电网系统中，500 kV变压器的中性点一般采用66 kV电压等级的绝缘水平，在该电压等级下设备的额定工频1分钟耐受电压为140 kVrms；额定雷电冲击耐受电压为325 kVpk；操作耐受电压为270 kVpk。

校验时，要满足：

（1） 140 kVrms≥故障时中性点小电抗上产生的最大工频过电压；

（2） 325 kVpk/中性点避雷器雷电冲击电流残压≥1.25；

（3） 270 kVpk/中性点避雷器操作冲击电流残压≥1.15。

其中1.25、1.15分别是雷电、操作冲击耐压配合系数Ks。

表1　滨响投产年各种方式下潘荡变工频过电压情况统计

表2　远景年各种方式下潘荡变工频过电压情况统计

4.2中性点小电抗绝缘校核

中性点小电抗的绝缘水平一般与主变中性点匹配。但工程中存在校核一些老站主变时，其中性点小电抗绝缘水平较低，比如中性点电抗器采用35 kV电压等级的绝缘水平，工频耐受电压和雷电冲击耐受电压分别是85 kVrms、185 kVpk。其校验方法与主变中性点绝缘校核方法一致，需满足三个条件。

4.3中性点避雷器参数选择

变压器中性点电抗器采用避雷器保护时，变压器中性点电抗器上经受的操作和雷电过电压与中性点避雷器的额定电压等级有关，避雷器的参数选择既要保证被保护设备的安全，又要保证避雷器自身的安全。

典型的变压器中性点用避雷器参数见表3。

表3　典型的变压器中性点用避雷器参数

例如选择额定电压为72 kV的避雷器，其雷电冲击、操作耐受电压分别为186 kV、174 kV，需满足：

（1） 72 kV≥故障时中性点小电抗上产生的最大工频过电压。

（2） 设备雷电冲击耐受电压/中性点避雷器雷电冲击电流残压≥1.25。

（3） 设备操作冲击耐受电压/中性点避雷器操作冲击电流残压≥1.15。

实际工程设计中，主变中性点小电抗的最大工频过电压值对上述设备的绝缘校核具有关键性作用，由其选定相应额定电压等级的中性点避雷器，进而由该避雷器的雷电、操作冲击电流残压值参数，根据相关绝缘配合规范要求校验主变中性点及其小电抗的耐受电压水平。

5　结语

本文研究了主变中性点加装小电抗后，系统故障方式下主变中性点工频过电压的理论原理，据此得到计算方法，并基于PSD软件，将该计算方法应用于实际工程。综合各种计算方式，得到主变中性点小电抗工频过电压参考值，依此进行绝缘配合校验及设备选择。

目前该方法已经用于实际工程，实践证明，该方法简便快捷，结果具有较好的参考价值，计算具有良好的稳定性和可靠性，对解决设备选择的实际问题，提高工作效率有较好的效果。

［1］ 崔勇， 郭强， 杨增辉. 华东500 kV主变中性点小电抗参数的选取［J］. 华东电力， 2012， 40（9）.

［2］ 涂彩琪，等. 500 kV香山变电站变压器中性点小电抗过电压研究［J］. 华中电力， 2011， 24（1）.

［3］ GB/T50064—2014， 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范［S］.

［4］ GB11032—2010， 交流无间隙金属氧化物避雷器［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

韩志锟（1984- ），男，河南郑州人，硕士，工程师，从事电力系统规划设计咨询工作。