采用串联电抗器限制青海西宁地区电网短路电流研究
2019-07-03李富春张鹏宇张更贺张祥成
傅 旭,李富春,张鹏宇,张更贺,张祥成
(1.西北电力设计院有限公司,陕西 西安 710075;2.国网吉林省电力有限公司,吉林 长春 130000;3.国网青海省电力公司检修公司,青海 西宁 810003;4.国网青海省电力公司经济技术研究院,青海 西宁 810008)
0 引言
随着电力系统规模的不断扩大,电网规模和短路电流的矛盾日益突出[1-5],限制短路电流已经成为电网规划和运行的一个重要研究课题[6-10]。
文献[11]提出大机组降压运行短路电流变化分析方法及计算模型。文献[12]建立了特高压受端电网的综合限流优化模型,以单相短路电流和三相短路电流同时满足要求为主要约束条件。文献[13]将220 kV电网分区运行作为限制短路电流的首选措施。文献[14]应用叠加定理计算含变流型电源电网短路电流,其结果可用于电网规划及设备选型。 文献[15]利用风力发电机短路时电压电流的特性关系求解出风电场的短路电流。文献[16]利用端口阻抗矩阵和故障端口开路电压,经过一次端口补偿电流的计算,求得故障电流。
随着青海特高压直流外送通道及其配套750 kV工程的建成投运,青海省750 kV电网短路电流超标风险激增,亟需研究限制短路电流的措施,提出切实可行的解决方案,为后续电网规划及运行提供指导。
本文分析青海西宁地区短路电流的发展趋势和750 kV母线短路电流超标的原因,研究青海西宁地区限制短路电流方案。通过将串联电抗器模拟为追加一条阻抗支路,可利用基态的节点阻抗参数矩阵快速计算采取限流措施后的短路电流,以提高计算速度。研究结果表明,仅考虑750 kV线路加装串抗不能解决西宁750 kV母线短路电流的超标问题。通过运行时西宁—日月山双回750 kV线路转为热备用,西宁—郭隆双回750 kV线路加装20 Ω串抗,可不需升级改造750 kV开关。
1 西宁地区750 kV母线短路电流
2025年青海西宁及其邻近地区750 kV电网接线结构如图1所示,西宁和日月山750 kV母线的短路电流和其连接的各条支路提供的短路电流的计算结果如表1、2所示,可看出:
图1 青海网架接线示意图Fig.1 Qinghai power grid structure diagram
1) 2025年西宁750 kV母线的三相短路电流为62.43 kA,单相短路电流为59.70 kA,远远超过了西宁变电站750 kV、50 kA断路器的开断能力。从各支路故障电流计算结果来看,西宁变电站750 kV短路电流水平过高,主要是因为西宁变电站处于电网中心位置,750 kV出线回路数多,至日月山、合乐线路提供的短路电流较大,分别提供短路电流约占27%左右(双回)和21%左右(双回)。
2) 2025年日月山750 kV母线三相短路电流为57.05 kA,单相短路电流为54.61 kA,超过了日月山变电站750 kV、50 kA断路器的开断能力。从各支路故障电流计算结果来看,日月山变电站短路电流水平过高,主要是因为西宁地区750 kV电网呈环网运行,线路长度较短,变电站出线回路数多,至西宁、青山线路提供的短路电流较大,分别提供短路电流约占38%左右(双回)和25%左右(双回)。
表1 2025年西宁750 kV母线短路电流Table1 Short-circuit current of Xining 750 kV bus in 2025
表2 2025年日月山750 kV母线短路电流Table 2 Short-circuit current of Riyueshan 750 kV bus in 2025
2 线路装设串联电抗时短路电流灵敏度
2.1 线路装设串联电抗器模拟
线路装设串联电抗器通过在需要装设串联电抗器的线路两端并联一个阻抗值为-zij∥(zij+zL)的支路模拟,如图2所示。其中:zij为线路i-j的阻抗;zL为线路i-j接入的串联电抗器阻抗。
图2 线路加装串联电抗器模拟Fig.2 Model of line with series reactor
2.2 串联电抗器的短路电流灵敏度
2.2.1 三相短路电流灵敏度计算
装设串联电抗可模拟成投切一条阻抗支路,通过节点自阻抗的变化求解短路电流的变化量,此即为该限流措施对超标母线上短路电流的灵敏度。
(1)
切除节点i和j之间的线路i-j前后,短路电流标么值的变化量为
(2)
切除某条线路i-j,相当于在相应的节点上追加一条阻抗值为-zij的线路。支路切除前后矩阵对角线元素的变化量为
(3)
其中:
(4)
式中:Zii为原网络节点i的自阻抗;Zjj为原网络节点j的自阻抗;Zij为节点i、j的互阻抗。
短路电流标么值的改变量为
(5)
式中Zfi和Zfj分别为断开线路首末端节点与三相短路电流超标研究节点之间的互阻抗。
转成有名值为
(6)
2.2.2 单相短路电流灵敏度计算
单相接地短路为不对称短路,单相接地短路的电流标么值为
(7)
式中Zeq为等效故障阻抗。
(8)
单相接地短路电流标么值的变化量为
(9)
其中,线路切除前后的等效故障阻抗之差为
综合以上各式,可得出单相接地短路电流灵敏度如下:
(14)
3 西宁地区短路电流限制分析
西宁—日月山双回750 kV线路加装5~30 Ω串联电抗,西宁和日月山750 kV母线短路电流如表3所示。可看出:西宁—日月山双回线路各加装25 Ω串联电抗,日月山750 kV短路电流可降至50 kA以内,但由于西宁处于电网中心位置,出线较多,750 kV短路电流远远超过50 kA;加装30 Ω串联电抗,西宁750 kV短路电流仅降至57.90 kA。在此基础上,即使再考虑西宁—郭隆双回线路各加装20 Ω串联电抗,西宁750 kV短路电流降至53.02 kA,仍超过50 kA。
表3 2025年短路计算结果(西宁—日月山双回750 kV线路加装串抗)Table 3 Short-circuit results in 2025 (Xining-Riyueshan double 750 kV line installed series reactor)
综合以上分析,仅考虑750 kV线路加装串联电抗不能解决西宁750 kV母线短路电流超标问题。
考虑采用如下两个方案:方案1,西宁和日月山750 kV开关升级改造为63 kA;方案2,运行时西宁—日月山双回线转为热备用,同时西宁—郭隆双回加串抗。
方案1和方案2的短路电流计算结果如表4所示。可看出:方案1,西宁和日月山750 kV母线最大短路电流分别为62.43和57.05 kA,西宁和日月山均升级改造为63 kA开关,可基本满足要求,但西宁变电站开关已无裕度;方案2,西宁—日月山双回线路转为热备用,同时西宁—郭隆每回线路郭隆侧加装20 Ω串联电抗,西宁750 kV母线短路电流可降至48.40 kA,可不需升级改造750 kV开关。
表4 青海东部主要750 kV母线短路电流结果Table 4 Short-circuit current results of main 750 kV bus in eastern Qinghai
4 结论
分析了青海西宁地区装设串联电抗器限制短路电流的可行性,研究了青海西宁地区限制短路电流方案。通过将串联电抗器模拟为追加一条阻抗支路,可快速计算装设串联电抗器后的系统短路电流。研究结果表明,仅考虑750 kV线路加装串联电抗还不能解决西宁750 kV母线短路电流超标问题,通过运行时西宁—日月山双回750 kV线路转为热备用,西宁—郭隆双回750 kV线路加装20 Ω串联电抗,可将西宁750 kV母线短路电流可降至48.40 kA,可不需升级改造750 kV开关。