经小电抗接地的220 kV/110 kV变压器小电抗值选取

2019-07-04史建省

山东电力技术 2019年6期

史建省

（国网山东省电力公司潍坊市寒亭区供电公司，山东潍坊 261100）

0 引言

对于经小电抗接地的变压器，不仅小电抗值的选取要符合行业标准，还要综合考虑短路电流大小、零序电流保护、中性点绝缘等级、接线方式等诸多因素［1］。文献［2］指出小电抗值的选取范围在变压器零序阻抗的30%～40%，然而这种选取方式难以同时满足行业标准、限制短路电流大小、零序电流保护准确动作等一系列要求，一旦选取不当，将会给变压器的安全运行带来许多隐患，目前，尚没有相关文献对此进行详细讨论，因此有必要对小电抗值的选取进行深入探讨。在综合考虑各方面因素的基础上，对变压器接地小电抗值的选取进行了深入研究，提出了小电抗值的选取方法，并以某电网220 kV/110 kV系统为研究对象，基于PSCAD/EMTDC软件进行仿真，仿真结果验证了使用本文方法进行接地小电抗值选取的合理性，有效地确保了电网的安全运行。

1 小电抗值选取考虑因素

接地小电抗值的选取要综合考虑相关行业标准、限制单相接地短路电流、零序电流保护、变压器绝缘等级等因素。

1.1 行业标准

根据DL/T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规定，220 kV/110 kV系统的零序电抗与正序电抗之比 X0/X1小于 3［3-4］，因此，主变压器中性点接入的小电抗取值要受到该限制。为防止可能会发生的极端情况下的不对称故障危及绝缘配合，必须保证任何工况下系统的零序等值电抗与正序等值电抗之比均小于 3［5］。

1.2 限制单相接地短路故障电流

单相接地故障约占电力系统故障80%以上，单相接地短路电流大于三相短路电流的现象普遍存在。在电力系统，断路器的切断容量通常以三相短路电流为基准设计，因而断路器切不断单相短路电流的事故时有发生，所以必须按照限制单相短路电流，使其不大于三相短路电流的原则来选取接地小电抗值［6-8］。

1.3 中性点绝缘等级要求

根据GB 311.7—1988《高压输变电设备的绝缘配合使用导则》，110 kV系统变压器中性点为35 kV绝缘等级的1 min工频耐受电压有效值为72 kV，则所选取的小电抗范围满足变压器中性点绝缘要求［9-11］。如果仍然不满足绝缘要求，可根据以下方法计算所接小电抗的值，变压器中性点过电压稳态值为［12-13］式中：U0为变压器中性点稳态电压；Ug为系统相电压；X0为变压器中性点接入小电抗后的系统零序电抗；X1为系统正序电抗。

1.4 零序保护要求

对于具有2台并列运行变压器的变电站可以考虑在变压器中性点加装小电抗时尽量保持零序阻抗值不变，从而无需对零序电流保护动作值重新整定［14］。要保持零序阻抗值不变，则变压器中性点接入的小电抗须满足［15］

式中：X0为变压器零序电抗；XL为接入的小电抗值。

中性点应该接入的小电抗为

2 系统仿真

2.1 电网建模

该系统由2台并列运行的三绕组220 kV变压器以及与其相连接的110kV变压器组成，其中220 kV变压器为YNyn0d11接法，110 kV变压器为Ynd11接法，T1和T2主变压器容量均为180 MVA。T3和T4主变压器容量均为63 MVA，且型号相同，高压侧均不接地。仿真模型一次系统如图1所示。L2和L3为架空输电线路，长度分别为13.6 km和21.9 km，线路和变压器参数分别如表1和表2所示。

图1 仿真模型一次系统

表1 220 kV变压器主要参数 pu

表2 部分线路参数设置 pu

2.2 系统运行方式

该220 kV变电站可能出现的经小电抗接地的运行方式主要有以下4种［16］：

1）T1主变压器的220 kV侧中性点直接接地、110 kV侧经小电抗接地，T2主变压器的220 kV，110kV侧中性点都不接地。

2）T1主变压器的220 kV直接接地、110 kV侧经小电抗接地，T2主变压器中性点220 kV侧不接地，110 kV侧经小电抗接地。

3）T1主变压器的220 kV侧中性点直接接地、110 kV侧经小电抗接地，T2主变压器中性点220 kV侧直接接地，110 kV侧不接地。

4）2台主变压器的220 kV侧中性点直接接地、110kV侧都经小电抗接地。

由于方式2与方式1的正序、零序等值电抗完全相同，方式3介于方式1，4之间，仅讨论方式1，4，对于方式2，3不再赘述。变电站110 kV母线发生单相接地故障时，其正序等值电抗如图2所示。图3中，XL1，XL2分别为 220 kV，110 kV 线路正序等值电抗；Xtlh1，Xtlm1分别为1号主变压器高、中压侧绕组正序电抗；Xt2h1，Xt2m1分别为2号主变压器高、中压侧绕组正序电抗。

图2 变电站正序等值电抗

以方式1（T1主变压器的220 kV侧中性点直接接地、110 kV侧经小电抗接地，T2主变压器的220 kV，110 kV侧中性点都不接地）为例计算应该选取的接地电抗值。在接地主变压器110 kV侧中性点加小电抗后，系统正序电抗、负序电抗不变，零序电抗会发生改变。加小电抗之后，系统零序等值电抗图如图3所示，其中XL10为220 kV侧线路零序电抗，XL20为 110 kV 侧线路零序电抗，Xt1h0，Xt1m0，Xt1l0分别为变压器高、中、低压侧零序电抗［17］。可见在接地主变压器110 kV侧中性点加小电抗XL后，变电站系统的等值零序电抗变大，当220 kV变电站中压侧发生单相接地时，短路电流变小，流过主变压器绕组、中性点的电流也同时变小。

图3 方式1下的零序电抗

2.3 小电抗值的选取

根据DL/T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》要求，当系统以方式1运行时，设定加入的电抗为XL，则有

对于方式4，同理计算得XL4≤9.1 Ω。

按照变电站110 kV侧母线单相接地短路电流不大于三相短路电流的原则来选取接地电抗，即

变电站110kV侧母线单相短路故障电流为［18］

将式（6）、式（8）得到的数据带入式（7），可得XL≥0.65 Ω。

按照上述原则，对于方式4，有XL4≥2.286 Ω。

方式1，4下分别在220 kV变电站中压侧母线、110 kV变电站高压侧母线设置三相接地故障、加入小电抗前后单相接地故障电流如表1～2所示。B，C变电站的主变型号相同，小电抗值的选取原则也相同，因此只介绍在B变电站高压母线设置故障点的情况，C变电站的情况相同。

变电站110 kV侧母线三相短路故障电流为

表1 方式1加入小电抗前后的短路电流 kA

表2 方式4加入小电抗前后的短路电流 kA

从表1、表2中的故障电流可知，通过以上对于小电抗的选取，可以将单相短路故障电流限制在三相短路电流之下，从而可以暂时将方式1下的小电抗值取为0.65 Ω≤XL1≤3.8 Ω，方式4下的小电抗值取为 2.3 Ω≤XL4≤9.1 Ω。

对于小电抗的选取，还要通过仿真来校验能否满足变压器中性点绝缘等级要求。

方式1下分别在220 kV变电站中压侧母线、110 kV变电站高压侧母线设置单相接地故障，加入故障前后各不接地主变压器中性点过电压稳态值、暂态值对比如表3～4所示。

表3 方式1加入小电抗前后各不接地主变压器工频稳态过电压有效值 kV

表4 方式1加入小电抗前后的工频暂态过电压峰值 kV

同样，在方式4下设置与方式1相同地点、相同类型的故障，加入小电抗前后B站主变压器中性点过电压稳态值、暂态值如表5～6所示。

表5 方式4 B站变压器中性点加入小电抗前后的工频稳态过电压有效值 kV

表6 方式4 B站变压器中性点加入小电抗前后的工频暂态过电压峰值 kV

选取以上小电抗值，110 kV系统在发生单相接地故障时，在方式1和方式4下变压器中性点最大工频过电压有效值分别为44.53 kV和44.26 kV，满足变压器中性点绝缘的要求。

显然，为限制单相接地短路电流，方式1接入小电抗之后，系统零序阻抗必定会增大，该站母线以及变压器承担的短路电流会减小，从而零序电流保护动作值也需要重新整定。

按照方式4接入小电抗时，在满足上述3点要求的前提下，可以按（5）式选取小电抗，使系统零序阻抗保持不变，带入数据得XL4=3.159 Ω，恰好满足上面所求得到的方式4下的小电抗值范围内（2.3 Ω≤XL4≤9.1 Ω），满足所有要求。若求得的小电抗值不在此范围之内，则必须放弃“尽量使零序阻抗不变”的原则，重新整定零序保护的动作值。

综合以上几项因素，方式1和4的小电抗范围分别可取为 0.65～3.8 Ω、2.3～9.1 Ω。若方式 4 下选取小电抗值大小为3.159 Ω时，可以无需重新整定零序电流保护的动作值。由于所接入的小电抗值越大，单相接地故障导致的变压器中性点过电压越高，不利于变压器的绝缘，同时导致流过变压器的零序电流越小，不利于继电保护装置快速动作，因此建议将小电抗在满足上述要求的前提下尽量选得小一些。