有效限制500kV变电站中压侧母线短路电流的技术措施探讨

芦 颖 岳 璐

（南京国联电力工程设计有限公司）

0 引言

近年来，特高压的投产、500kV网架的日益密集、大量电源的建成投产和地区220kV电网的进一步密集，特别是在负荷较重的经济发达地区，尤为明显，随着区域电网日趋强大，500kV变电站便成为该地区电网的枢纽点，因此大量500kV自耦变压器投入运行。由于自耦变压器中性点需直接接地，从而导致接地点大量增加，使220kV母线侧短路电流水平上升加快，严重的已接近或超过开关的遮断容量，给相关电气设备的选择带来了困难，同时也带来主变限额受限、变电站内接地网投资增加等一系列问题。因此，为了电网的可靠运行与发展，需采取相应措施来限制这一现象。

1 500kV变电站220kV母线单相短路电流越限问题分析

1.1 短路电流问题的出现及原因

苏南地区地处长江下游，如今已是长三角中部经济发展的核心区域。经多年建设，该区域内500kV电网已形成双链为主、双环为辅的网架结构。

以苏州地区为例，根据2018年对苏州地区的电力负荷统计，区域内有11座500kV变电站，总容量已达29694MVA。电力系统快速扩容的同时，也出现了几个较为明显的问题：

（1）该区域电网结构越来越紧密，负荷密度越来越大，导致500kV 站间距较近，平均间距低于30km。

（2）单座500kV变电站规模越来越大，且在500kV变压器中性点直接接地运行时，中压侧电抗值接近于零。

（3）自耦变压器的零序电抗在系统零序网络中为并列关系，因其自身的参数特性及投运数量的不断增加，导致系统零序网络中并列支路增多，系统总零序电抗进一步降低。

基于以上原因，该区域电网的短路电流水平不断上升，电网短路点处出现总零序阻抗小于总正序阻抗的几率也越来越大。

1.2 限制单相短路电流的措施

据以往经验来看，在电网发展的过程中限制单相短路电流的措施主要有以下几种：

（1）调整电网结构，限制电网运行方式。

（2）更换高阻抗变压器。

（3）500kV主变中性点加装小电抗。

以上几种措施均是为了提高短路点零序等效阻抗，进而降低单相短路电流。通过以往的实际运行效果来看：

措施（1）主要包含网架开环、母线分段、主变分列运行等方式。通过将区域内220kV系统分层分区，500kV变电站220kV母线分段及主变分列运行，可以增大220kV系统阻抗。该方式的缺点是将同时削弱220kV系统内在的联系，限制网架结构的可靠性和灵活性。

措施（2），通过提高500kV自耦降压变压器的短路阻抗，也可以增大220kV系统阻抗。但该方式的缺点是会同时增大主变的无功损耗，降低主变的功率因数，给主变中、低压侧电压水平带来不利影响。

措施（3），此举可以增加主变在系统零序网络中的等值电抗。该措施不改变系统原有网架结构及主变自身原有参数，不存在上述两条措施的缺点，且投资小见效快。

1.3 中性点串联小电抗短路电流分析

（1）自耦变压器中性点经小电抗接地，各绕组的等值零序电抗为：

k—变压器高压绕组与中压绕组变比；

由上式可以看出：

相对于直接接地，自耦变压器经小电抗Xn接地时，中压侧零序电抗明显增大，因此对中压侧单相短路电流可以起到限制作用。

（2）短路电流计算公式如下：

Uk—短路电压；

Ik0—零序短路电流；

Zk0—零序阻抗；

Zk1—正序阻抗；

由上式可以得出：当Zk0＜Zk1时，；根据系统运行要求，当1～1.5＜Zk0／Zk1＜3时，。

2 小电抗值的选取及绝缘配合

2.1 小电抗值的选取

从以往装设小电抗的先例来看，小电抗值的选取是一个十分关键的环节，这与该地区短路电流水平及主变中性点绝缘水平有很大关系，相关文献中一般推荐小电抗阻值在主变高-中压阻抗值的1／10～1／3之间，即小电抗值在5～15Ω左右较为合适。

下面以某变电站为例，针对不同小电抗值分别计算站内220kV母线短路电流值。中性点小电抗取值分别为5Ω、10Ω、15Ω以及不装小电抗。

表1 该站220kV母线单相短路电流计算结果（单位：kA）

从表1可见，该站220kV母线单相短路电流在投运初期即达到48kA，在北部电网扩建后，其220kV母线单相短路电流达到48.7kA。加装中性点小电抗后，其220kV母线单相短路电流明显下降，可以将单相短路电流控制在43kA以下。

小电抗值在5Ω时短路电流下降了约5.8kA，小电抗值在10Ω时短路电流下降了约8.3kA，小电抗值在15Ω时短路电流下降了约9.7kA，可见，小电抗值5Ω时短路电流下降幅度最大，随着中性点电抗值的增加，220kV侧母线单相短路电流下降幅度逐步减少。考虑到远景发展需要，根据计算结果并参考相关经验，故该站小电抗值应选取10Ω较合适。

2.2 绝缘配合

500kV自耦变压器中性点加装小电抗后，当变电站母线发生单相接地短路故障时，会在主变中性点形成压降。因此需进行母线单相接地短路时主变中性点过电压计算，以对中性点的绝缘水平进行校验。该站设计时已考虑远景主变中性点会经小电抗接地的可能，其中性点绝缘水平为72.5kV。因此在该站主变中性点加装小电抗，不会造成其中性点绝缘水平破坏。

就该站500kV、220kV侧母线发生单相接地故障时，不同小电抗值下中性点工频电压进行了初步的计算，考虑到阻值过大会造成中性点过电压值太大，因此仅选择计算小电抗值为5Ω、10Ω 和15Ω 三种情况，具体计算结果见下表：

表2 中性点工频过电压值 （单位：kV）

从表2可见，故障情况下主变中性点工频过电压值随着小电抗阻值的增大而增加，当小电抗值为5Ω时，该站220kV侧母线单相接地故障，中性点工频电压值为32.5kV；小电抗值为10Ω时，相同故障下中性点工频电压值为48kV；小电抗值为15Ω时，相同故障下中性点工频电压值达55.5kV。当该站500kV侧母线单相接地故障时，中性点工频过电压值均小于220kV侧母线单相接地故障。

从以上过电压计算得知在中性点小电抗值选择5Ω、10Ω、15Ω时中性点绝缘水平均能满足要求，考虑到10Ω的中性点小电抗限制短路电流作用明显，同时中性点工频过电压不高，故该站选用10Ω的中性点小电抗。

2.3 设备基本参数

经以上计算，该站相关设备参数选择如下：

（1）小电抗的基本参数

a阻值：10Ω。

b额定持续电流：240A。

c额定短时电流持续时间：≥10s。

d动稳定电流15kA（峰值，取2.55倍热稳定电流）。

e绝缘水平：取与主变中性点一致，72.5kV；外绝缘工频耐压：140kV／min。

（2）避雷器。避雷器选择有如下原则，MOA标称电流下的残压Ur需小于BIL／K，BIL表示中性点基本雷电冲击水平，对BIL雷电配合系数K取1.25。

因此所选避雷器需符合如下标准：

考虑变压器中性点小电抗10Ω时的最高工频电压：48kA，避雷器额定电压应高于其在安装处可能出现的工频暂态电压。根据计算及国网物资采购标准，避雷器选用Y5W-96／250。

（3）隔离开关。额定电流630A，4s热稳定电流31.5kA，额定峰值耐受电流80kA。

2.4 电气主接线

3 结束语

基于目前电网的发展趋势，短路电流的增长已成为制约电网发展和运行的主要问题之一，在电力系统可靠运行的前提下，应充分考虑网架结构、运行方式、阻抗选择、主变容量等对短路电流的影响，通过配电网络分层分区、开环、母线分段、主变分列、高阻抗变压器等措施组合，同时优化配置串抗等限流设备，以控制各电压等级的短路容量。因此有效限制500kV变电站中压侧母线短路电流是电力系统规划、设计需研究和解决的重要课题。