500 kV自耦变压器中性点小电抗接地应用研究

李晨坤，张磊，呙虎，陈道君，向萌(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

500 kV自耦变压器中性点小电抗接地应用研究

李晨坤，张磊，呙虎，陈道君，向萌
(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

限制单相短路电流的相关措施主要有限制变压器中性点直接接地数目、限制或不采用自耦变压器、发变组升压变压器中性点装快速接地开关、Y/Y/△接线自耦变压器三角形绕组侧开口以及变压器中性点经小电阻或小电抗接地等方式。变压器中性点经小电抗接地不仅不受电网运行的限制，还可降低变压器中性点绝缘水平，便于变压器制造。同时还可避免大量更换断路器的繁杂工作以及资金的浪费，具有良好的社会经济效益，而小电抗参数的选择是其中的关键环节。本文通过理论推导得出中性点经小电抗接地后的等值零序电抗计算公式，在此基础上采用电力系统分析综合程序(PSASP)计算主变经不同阻抗值小电抗接地时单相短路电流，并绘制曲线直观显示短路电流抑制效果。

500 kV自耦变压器；单相短路电流；中性点小电抗

近年来，随着湖南电网的发展，大量变电站投产、新机组的接入以及新线路的拉通，电网规模迅速扩大。湖南电网500 kV主变全部采用自耦变压器，中性点均为直接金属接地，系统零序电抗大幅降低，导致单相短路电流增加，部分变电站甚至会超过三相短路电流。电力系统中断路器的切断容量一般以三相短路电流为基准设计，所以有时存在断路器无法遮断单相短路电流的风险，影响系统的正常运行。更重要的是，单相短路电流过大还会影响变压器绕组的安全。

限制单相短路电流的相关措施主要有限制变压器中性点直接接地数目、限制或不采用自耦变压器、发变组升压变压器中性点装快速接地开关、Y/Y/△接线自耦变压器三角形绕组侧开口以及变压器中性点经小电阻或小电抗接地等方式。变压器中性点经小电抗接地不仅不受电网运行的限制，还可降低变压器中性点绝缘水平，便于变压器制造。同时还可避免大量更换断路器的繁杂工作以及资金的浪费，具有良好的社会经济效益，而小电抗参数的选择是其中的关键环节。针对不同电网的具体特点，通过仿真手段得到不同小电抗参数对单相短路电流的抑制效果，从而选取最佳参数是目前行之有效的方法之一。

1 湖南电网短路电流水平现状

基于中国电力科学研究院的电力系统分析综合程序(PSASP)，根据2016年湖南电网实际拓扑结构，搭建了湖南电网220 kV及以上包含发电机、线路、变压器、电容、电抗等元件的潮流、稳定计算模型。基于该计算模型，在湖南电网全开机、全接线的计算方案下，采用基于方案的短路电流计算方法，得到湖南电网负荷中心区域A、B两个500 kV变电站主变中压侧单相短路电流见表1。

表1 全开机、全接线方案单相短路电流计算值

从表1可知，A、B两个变电站主变均为自耦变压器，从而导致单相短路电流较大，均超过断路器额定遮断电流，若发生短路接地故障，存在断路器无法开断故障电流的风险，威胁电网安全稳定运行。伴随电网的持续发展，网络连接日益紧密，上述站点短路电流水平将进一步上升。对于单相短路电流超标，可采用中性点经小电抗接地的方式来解决。

2 自耦变压器中性点小电抗限制单相短路电流的原理

2.1 湖南电网自耦变压器结构

以A变电站500 kV自耦变压器为例，主变额定容量1 000MVA，由3台单相三绕组强油风冷无载调压自耦变压器组成，额定容量334/334/80 MVA，额定电流1 102/2 515/2 222 A，额定电压接线方式为Y N a0 d 11。Y表示变压器高压侧星形接线；N表示中性点引出；a0表示自耦变压器；d表示低压侧三角形接线；11表示高低压之间向量差为30° (时钟表示法，11点整时时针和分针之间的角度为30°)中性点经小电抗接地的自耦变压器电气接线图如图1所示。

当自耦变压器中性点经小电抗接地，电网发生三相对称接地故障时，由于高压侧为星形接线，三相电流之和为0，即没有电流流经小电抗，相当于中性点直接接地，因此中性点经小电抗接地并不会对三相对称短路电流造成影响。此外，电网正常运行时也是保持三相对称运行，中性点经小电抗接地同样不会对正常运行的系统产生任何影响。

图1 中性点经小电抗接地的自耦变压器接线图

2.2 阻抗计算

假设自耦变压器高、中压侧与中性点间的电压分别UⅡN和UⅡn，高、中压侧额定电压分别为UⅠN和UⅡN，中性点对地电压为Un，则高、中压侧对地电压为:

则折算到高压侧的高、中压侧电压差为:

高压侧施加零序电压后，高、中、低压侧绕组均将出现零序电流，绕组间自感及互感现象交织，对于等值零序电抗的求取较为困难。采用“一开两短”的方法，即在高压侧施加零序电压，中压侧绕组接地，低压侧三角形绕组开口，以消除低压侧绕组的影响，依此可以得到折算到高压侧的高、中压侧之间零序等值电抗为:

将中压侧绕组断开，折算到高压侧的高、低压侧零序等值电抗为:

同理，将高压侧绕组断开可以得到折算到高压侧的中、低压侧零序等值电抗为:

由式(1)—(6)以及变压器各绕组等值电抗的计算公式可以得到折算到高压侧的高、中、低压侧绕组零序等值电抗为:

式中 X′n为加装的电抗；X0Ⅰ、X0Ⅱ、X0Ⅲ分别为加小电抗前变压器高、中、低压侧零序电抗；X0Ⅰ、X0Ⅱ、X0Ⅲ分别为加小电抗后变压器高、中、低压侧零序电抗。

由式(7)—(9)，考虑电力系统分析综合程序(PSASP)中容量基准值为100MVA，可以得到折算到高压侧的高、中、低压侧绕组零序等值电抗标幺值为:

式中 Xn为加装的电抗标幺值；X′0Ⅰ、X′0Ⅱ、X′0Ⅲ分别为加小电抗前变压器高、中、低压侧零序电抗标幺值；X″0Ⅰ、X″0Ⅱ、X″0Ⅲ分别为加小电抗后变压器高、中、低压侧零序电抗标幺值。

由式(10)－(12)可知主变中性点经小电抗接地后，通过改变小电抗阻抗值就能改变高、中、低压侧等值零序阻抗。随着中性点小电抗阻抗值增大，中压侧零序阻抗增大，单相短路电流也将随之减小。

3 小电抗参数选择

计算分析表明，变压器中性点经小电抗接地，能够有效地降低单相短路电流。以A站主变为例，分析如何选择合适的小电抗阻抗值。A站主变高、中、低压侧初始零序电抗标幺值分别为0.012 026 p.u.、－0.00 005 p.u.、0.041 966 p.u.。根据式(10)—(12)可以得到中性点经不同阻抗值小电抗接地时的零序电抗见表2。

为选择合适的中性点小电抗阻值，采用电力系统分析综合程序(PSASP)，计算A站主变中性点分别经0～25Ω小电抗时短路电流可以得到单相短路电流抑制特性曲线如图2所示，中性点小电抗对单相短路电流的抑制效果随着小电抗阻抗值的增大而衰减。阻抗值0～10Ω，单相短路电流降低了7 kA；而阻抗值10～25Ω，单相短路电流仅降低了2.4 kA。因此，考虑单相短路电流抑制效果，建议A站主变中性点经10～15Ω小电抗接地。

表2 A站主变零序电抗标幺值p.u.

图2 A站主变中压侧母线单相短路电流曲线

4 结论

随着湖南电网发展，在全开机、全接线计算方式下，长株潭负荷中心区变电站220 kV母线单相短路电流超标情况日益突出，通过中性点加装小电抗的方式可以起到有效降低单相短路电流的效果，同时对系统正常运行方式没有影响。小电抗对单相短路电流的抑制效果随着阻抗值增加呈衰减趋势，在实际运用中，需要综合考虑短路电流抑制需求及效果，来选择合适的中性点小电抗参数。

〔1〕马世英，宋云亭，申旭辉，等.短路电流控制技术及应用〔M〕.北京:中国电力出版社，2014.

〔2〕龚贤夫，高崇，龙志，等.500 kV自耦变压器中性点加装小电抗限制不对称短路电流原理〔J〕.电力建设，2013，34 (11):56-60.

〔3〕朱天游.500 kV自耦变压器中性点经小电抗接地方式在电力系统中的应用〔J〕.电网技术，1999，23(4):15-18.

Study on 500 kV Auto-Transformer Neutral Reactance in Hunan Power grid

LIChenkun，ZHANG Lei，GUO Hu，CHEN Daojun，XIANGMeng
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

Single phase short circuit current can be limited by reducing number of neutral ground，avoiding auto-transformer，fast grounding switch on boosting transformer in generator-transformer unit，Y/Y/△auto-transformer△side open circuit，and transformer neutral point grounded by small reactance.Transformer neutral point grounded by small reactance can be done without affecting power flow in power grid and can also lower the transformer insulation requirement and building costs. Meanwhile，it can avoid breaker changing，which means heavy workload andmoney waste，and the key is to choose the right parameters for the small reactance.This paper comes up with the equivalent zero sequence reactance formula through theoretical derivation.Based on the formula，power system analysis software package(PSASP)is used to calculate single phase short circuit currentwith different reactance parameters，and curves are used to directly show the reactance limiting effect.

Hunan power grid；500 kV auto-transformer；single phase short circuit current；neutral reactance

TM411＋.3

B

1008-0198(2017)03-0059-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.03.016

2016-11-30 改回日期:2017-03-20