CN101267107B - 抑制电网单相短路电流的方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种抑制500kV枢纽变电站220kV侧母线单相短路电流的方法。电网由于大量采用自耦变压器压器导致500kV枢纽变电站220kV母线单相短路电流大于三相短路电流较多，且已经超过了断路器的额定开断能力。考虑更换自耦变压器为非自耦变压器以降低单相短路电流，实质是减少零序网接地支路。通过序网图原理分析发现更换500kV自耦变压器为非自耦变压器比更换220kV站内的自耦变压器为非自耦变压器对500kV枢纽变的220kV母线单相短路电流的作用大，实际算例也证明了理论分析的正确性。此方法为限制电网单相短路电流、增强电网运行可靠性提供了技术支持。

Description

抑制电网单相短路电流的方法

技术领域

本发明涉及一种抑制电网单相短路电流的方法。属于输变电技术领域。

背景技术

随着江苏电力需求的快速增长，电力系统的规模日益扩大，电源、电网更加密集，电网的短路电流也持续上升。针对2007～2008水平年江苏电网的短路电流计算表明，部分500kV枢纽变电站的220kV母线单相短路电流已经超过断路器的额定遮断能力(50kA)，三相短路电流也接近50kA。当单相接地短路电流超过断路器的额定遮断容量时，短路电流的电动力以及热应力会损坏断路器及相关设备，还会对相邻通信线路产生干扰，对变电所的跨步电压和接触电压也有影响。因为单相短路发生的概率很高(约占全部短路故障的65％～70％)，因此必须加以重视，分析原因，采取有效措施加以抑制。

目前抑制500kV枢纽变电站220kV侧母线单相短路电流的方法可以分为三类。

第一类是更换开断能力更大的开关，更换开关可以不影响电网的运行特性，但由于短路电流超标的变电站一般为枢纽变电站，需要更换的开关数量众多，且所有的一次设备及接地网也需要更换，投资大，工期长，并使电网枢纽变电站长期处于非正常运行方式。

第二类是抑制三相短路电流从而起到降低单相短路电流的作用，这类措施比较多，其中220kV电网的分区运行、500kV变电站220kV出口处两线搭接以及500kV变电站220kV母线分段或分排运行，在措施上都是比较方便实施的，但均属于临时性的解决短路电流的措施，且这些措施都会削弱系统的电气联系，降低电网运行的安全性、可靠性、灵活性和规模效益。采用高阻抗变压器可以比较好的抑制三相和单相短路电流，但是它对系统无功电压线损、稳定性也有一定影响、同时目前厂家的高阻抗变压器设计和制造能力也有待提高。采用短路电流限制器(包括串联电抗器)也是抑制三相和单相短路电流的方法之一，但是目前在国际上，除了串联电抗器外，还没有应用于超高压系统的短路电流限制器，串联电抗器的问题类似与高阻抗变压器，会对系统的无功电压线损和稳定性造成一定的影响。采用更高一级电压或是直流背靠背联网，投资都非常大，需要很强的推动力，要解决的技术问题也很多，需要较长的时间才能得以实现。

第三类是专门抑制单相短路电流的措施，它们对三相短路电流的抑制不起作用。这类措施主要是500kV自耦变压器中性点加装小电抗，它对500kV变压器220kV母线单相接地短路电流以及220kV电网局部区域单相短路电流的抑制效果显著，是目前电网中应用较多的专门抑制单相短路电流的方法。缺点是需要考虑到系统及变压器中性点的过电压与绝缘配合，对系统的继电保护整定也有一定的影响。

发明内容

由于部分500kV枢纽变电站的220kV母线单相短路电流已经超过断路器的额定遮断能力，导致短路电流的电动力以及热应力损坏断路器及辅助设备，还对相邻通信线路产生干扰，对变电所的跨步电压和接触电压也有影响。为了防止单相短路电流超标造成对开关及辅助设备的破坏，本发明提出了一种抑制500kV枢纽变电站220kV侧母线单相短路电流的方法。

本发明是采取以下的技术方案来实现的：

抑制电网单相短路电流的方法，500kV/220kV电网包括500kV枢纽变电站和一片220kV电网，所述500kV枢纽变电站的220kV母线通过220kV出线连接到各220kV变电站的220kV母线上，形成前述的一片220kV电网，其中，所述220kV出线有6～16回出线，其特征在于，当所述500kV枢纽变电站的500kV主变压器和各220kV变电站的220kV主变压器都为自耦变压器时，通过将500kV主变压器由自耦变压器更换为非自耦变压器，并且所述500kV主变压器只有一台变压器接地，来增大500kV枢纽变电站220kV侧母线单相短路时的零序等值阻抗，从而抑制500kV枢纽变电站220kV侧母线单相短路电流。

从单相短路电流的计算公式 $i^{\left(1\right)}=3\stackrel{\·}{E}/(Z_{1\mathrm{\Σ}}+Z_{2\mathrm{\Σ}}+Z_{0\mathrm{\Σ}})$ (式中，Z_1∑、Z_2∑、Z_0∑——分别为从短路点向电源侧看进去的等值正、负、零序阻抗，

——为发电机正序等值电势)可以看出，要抑制单相短路电流，就是要增大从短路点向电源侧看进去的等值正序和零序阻抗。增大正序阻抗，不仅能抑制单相短路电流，还能抑制三相短路电流，而增大零序阻抗仅能够抑制单相短路电流。当单相短路电流超标，三相短路电流还没有超标，且单相短路电流超过三相短路电流较多时，因此本发明重点放在专门抑制单相短路电流的措施上。如果将自耦变压器更换为非自耦变压器，则不论从继电保护要求有零序通路的角度，还是从过电压绝缘的角度，一个站内都只需要一台变压器接地即可。此时，变压器自身的正负零序阻抗没有变化(短路比相同)，只是接地方式发生了变化，变压器中性点接地数目减少，即零序网接地支路减少，那么从短路点向电源侧看进去的零序阻抗增大。

那么更换220kV自耦变压器对X_0∑的改变大呢，还是更换500kV自耦变压器呢？本发明进行了定量分析，发现更换500kV自耦变压器比更换220kV自耦变压器对抑制500kV枢纽变220kV母线的单相短路电流作用大很多。算例结果显示：若保持500kV主变压器为自耦变压器，将分区内220kV站内的自耦变压器更换为非自耦变压器(即每个220kV站内只有一台主变压器接地)，单相短路电流有所下降，但下降幅度较小，大约1kA，对于抑制单相短路电流的作用较小；若保持分区内220kV站内主变压器为自耦变压器，更换500kV主变压器为非自耦变压器(即站内只有一台主变压器接地)，对于抑制单相短路电流的作用比较明显，单相短路电流大约降低了4kA。

附图说明：

图1为1个500kV站带1片220kV电网的零序网络图；

图2为梅里片地理接线图；

图3为车坊吴江片地理接线图。

具体实施方式：

电网密集地区已基本实现了500kV/220kV的分层分区运行，部分分区是1个500kV站带一片220kV电网，部分分区是2个500kV站带一片220kV电网。图1是比较典型的分区，即1个500kV站带一片220kV电网的零序网络图。

(1)220kV自耦变压器更换为非自耦变压器，X_t0/2变为X_t0，图1中的A部分为单台220kV自耦变压器零序阻抗X_t0。取120MVA的变压器，典型参数为U_hm＝9％，U_hl＝31％，U_ml＝21％，以100MVA为基准，计算得到高压侧阻抗X₁＝0.079p.u.，中压侧阻抗X₂＝-0.004p.u.，低压侧阻抗X₃＝0.179p.u.。220kV站内两台自耦变压器，则等值零序阻抗为X_t0/2＝0.179p.u.，如果两台都是非自耦变压器，则只需一台主变压器接地，所以等值零序阻抗为X_t0＝X_h+X_l＝0.258。

(2)220kV变压器再串联上220kV线路，图1中的B部分，即一个220kV通道的等值零序阻抗。统计了某500kV枢纽变220kV线路到其相邻220kV变电站的长度，平均约10km，线路型号取LGJ-2*400，则单回线路的阻抗为X_l0＝0.004p.u.，两回并联则为X_l0/2＝0.002p.u.。所以在这部分零序阻抗中，220kV变电站的零序阻抗占主导，线路零序阻抗比它小很多。当220kV变电站均为自耦变压器时，此部分等值零序阻抗为X_t0/2+X_l0/2＝0.179+0.002＝0.181，更换为非自耦变压器，此部分等值零序阻抗为X_t0+X_l0/2＝0.258+0.002＝0.260p.u.。

(3)500kV枢纽变的220kV出线一般有3～8个通道，通常是双回线组成一个通道，则有6～16回出线。500kV枢纽变通常有6个通道，则这6个通道零序阻抗并联得到220kV侧的等值零序阻抗，即X₂₂₀＝(X_t0/2+X_l0/2)/6＝0.03p.u.，若220kV变为非自耦变压器，则X₂₂₀＝(X_t0+X_l0/2)/6＝0.043

(4)从220kV母线短路点向电源侧看进去的等值零序阻抗X_0∑是由220kV侧和500kV侧等值零序阻抗并联形成的，其大小还要看500kV侧等值零序阻抗。500kV侧零序阻抗的大小由500kV自耦变压器零序阻抗和500kV系统内阻抗组成。

取750MVA的变压器，典型参数为U_hm＝14％，U_hl＝40％，U_ml＝25％，以100MVA为基准，计算得到单台变压器高压侧阻抗X₁＝0.020p.u.，中压侧阻抗X₂＝-0.001p.u.，低压侧阻抗X₃＝0.034p.u.。两台变压器并联，则高中低阻抗分别是X₁＝0.010p.u.，X₂＝-0.0005p.u.，X₃＝0.017p.u.

假设500kV开关短路容量为63kA，500kV母线三相短路电流一般都大于三相短路电流，说明500kV系统正序阻抗小于零序阻抗。根据某地区500kV三相短路电流与单相短路电流的大小比值统计，得到500kV系统内阻抗X₀＝1～2X₁，取平均值X₀＝1.5X1，根据单相短路电流不超过63kA，则 $3/(X_1+X_1+1.5X_1)=63*\sqrt{3}{U}_B/S_B,$ 计算出500kV系统零序内阻抗X_s0＝0.0015。可见500系统零序内阻抗非常小，500kV侧的系统等值零序阻抗主要由500kV主变压器的零序阻抗主导。

因此当两台500kV变压器都为自耦变压器，500kV等值零序阻抗X₅₀₀＝0.006p.u.，当更换为非自耦变压器时，这个值变为0.012p.u.。

(5)比较220kV侧等值零序阻抗和500kV侧等值零序阻抗的大小(均是自耦变压器的情况)，X₂₂₀＝(X_t0/2+X_l0/2)/6＝0.03p.u.，X₅₀₀＝0.006p.u.，可见，X₅₀₀比X₂₂₀小很多，不在一个数量级上，X_0∑受500kV侧等值零序阻抗X₅₀₀主导。如果500kV变电站有三台自耦变压器，则X_0∑更加受500kV侧等值零序阻抗主导。这就是为什么更换500kV自耦变压器为非自耦变压器对500kV枢纽变220kV侧母线单相短路电流的抑制作用大于更换220kV自耦变压器为非自耦变压器。

(6)更换220kV自耦变压器和更换500kV自耦变压器的对抑制单相短路电流的作用定量分析如下，各种元件参数都取典型参数。

A、当500kV站以及220kV站的变压器都为自耦变压器，即中性点都接地时，X_∑0＝X₅₀₀//X₂₂₀＝0.006//0.03＝0.005p.u.，更换220kV自耦变压器为非自耦变压器，500kV变压器不更换，那么220kV每个站只有一台变压器接地。X_∑0＝X₅₀₀//X₂₂₀＝0.006//0.043＝0.0053p.u.，可见，X_∑0的变化非常小，不是一个数量级上的变化，因此单相短路电流的变化也不会大。所以更换220kV自耦变压器为非自耦变压器对抑制500kV枢纽变的220kV母线单相短路电流作用不大。

B、更换500kV自耦变压器为非自耦变压器，220kV自耦变压器不更换，那么500kV站只有一台变压器接地。X_∑0＝X₅₀₀//X₂₂₀＝0.012//0.03＝0.009，比没有更换变压器时的X_∑0＝0.005大得多，是一个数量级上的变化。虽然X_∑0＜X_∑1(因为讨论的是500kV枢纽变220kV母线单相短路电流大于三相短路电流的情况)，X_∑0占单相短路公式 $i^{\left(1\right)}=3\stackrel{\·}{E}/(X_{1\mathrm{\Σ}}+X_{2\mathrm{\Σ}}+X_{0\mathrm{\Σ}})$ 中分母总阻抗的1/3不到，但是X_∑1、X_∑2、X_∑0在数量级上同属一个数量级，所以此时X_∑0在同一个数量级上的变化，对抑制500kV枢纽变的220kV母线单相短路电流作用较大。

以上分析的是1个500kV站带一片220kV变电站的情况，2个500kV站带一片220kV变电站也是同样的道理，更换500kV自耦变压器比更换220kV自耦变压器对抑制500kV枢纽变220kV母线的单相短路电流作用大很多。

以2007年冬季梅里片区和车坊吴江片区为例，计算分别更换500kV自耦变压器和220kV自耦变压器后500kV枢纽变220kV母线单相短路电流变化情况。

1梅里片

如图2所示，2007年冬季，梅里片区由500kV梅里变(3×1000MVA)带一个220kV片区，220kV片区内有小环网也有辐射支路，没有电厂接入。计算了三种情况下梅里220kV母线的三相和单相短路电流。第一种是梅里3台500kV主变压器以及其所在片区内220kV主变压器均为自耦变压器的情况；第二种是梅里500kV主变压器保持为自耦变压器，分区内220kV自耦变压器为非自耦变压器(每个220kV站1台接地)的情况；第三种是梅里500kV主变压器更换为非自耦变压器(只有1台接地)，分区内220kV保持为自耦变压器为非自耦变压器的情况。计算结果如表1所示。

表1  梅里变220kV母线单相短路电流

项目	三相短路电流(kA)	单相短路电流(kA)	正序等值阻抗(p.u.)	负序等值阻抗(p.u.)	零序等值阻抗(p.u.)
						分区内220kV及500kV均为自耦变压器(全接地)	36.34	44.15	0.0076	0.0076	0.0036
更换分区内220kV自耦变压器为非自耦变压器(每个220kV站1台接地)	36.34	42.98	0.0076	0.0076	0.0041

项目	三相短路电流(kA)	单相短路电流(kA)	正序等值阻抗(p.u.)	负序等值阻抗(p.u.)	零序等值阻抗(p.u.)
						更换梅里500kV自耦变压器为非自耦变压器(只有1台接地)	36.34	39.87	0.0076	0.0076	0.0056

2车坊吴江片

如图3所示，2007年冬季，车坊吴江片区由500kV车坊变(2×1000MVA)和吴江变(3×1000MVA)带一个220kV片区，220kV片区内有小环网也有辐射支路，有少量电厂接入。同样计算了三种情况，结果如表2所示。

表2  车坊220kV母线单相短路电流

项目	三相短路电流(kA)	单相短路电流(kA)	正序等值阻抗(p.u.)	负序等值阻抗(p.u.)	零序等值阻抗(p.u.)
						分区内220kV及500kV均为自耦变压器(全接地)	43.67	51.24	0.0064	0.0064	0.0035
更换分区内220kV自耦变压器为非自耦变压器(每个220kV站1台接地)	43.67	50.36	0.0064	0.0064	0.0038
						更换车坊500kV自耦变压器为非自耦变压器(只有1台接地)	43.67	47.00	0.0064	0.0064	0.0050

从以上计算结果可以看出：

(1)500kV主变压器220kV母线单相短路电流大于三相短路电流，大出约7kA。

(2)更换自耦变压器为非自耦变压器，不论是500kV还是220kV电压等级的主变压器，都只对单相短路电流有作用，对三相短路电流没有影响。因为更换自耦变压器为非自耦变压器就是改变变压器的接地方式而已，仅仅影响零序等值阻抗，正序负序阻抗不变，因此只改变单相短路电流的大小，三相短路电流不变。

(3)保持500kV主变压器为自耦变压器，将分区内220kV站内的自耦变压器更换为非自耦变压器(即每个220kV站内只有一台主变压器接地)，单相短路电流有所下降，但下降幅度较小，大约1kA，对于抑制单相短路电流的作用较小。

(4)保持分区内220kV站内主变压器为自耦变压器，更换500kV主变压器为非自耦变压器(即站内只有一台主变压器接地)，对于抑制单相短路电流的作用比较明显，单相短路电流大约降低了4kA。

通过计算发现，将500kV变压器由自耦变压器更换为非自耦变压器，对抑制500kV变电站220kV母线单相接地短路电流的抑制作用比较明显，而将一个220kV分区内的220kV变压器由自耦变压器更换为非自耦变压器，则对该分区内500kV变电站220kV母线单相接地短路电流的抑制作用不明显。

Claims (1)

1.抑制电网单相短路电流的方法，500kV/220kV电网包括500kV枢纽变电站和一片220kV电网，所述500kV枢纽变电站的220kV母线通过220kV出线连接到各220kV变电站的220kV母线上，形成前述的一片220kV电网，其中，所述220kV出线有6～16回出线，其特征在于，当所述500kV枢纽变电站的500kV主变压器和各220kV变电站的220kV主变压器都为自耦变压器时，通过将500kV主变压器由自耦变压器更换为非自耦变压器，并且所述500kV主变压器只有一台变压器接地，来增大500kV枢纽变电站220kV侧母线单相短路时的零序等值阻抗，从而抑制500kV枢纽变电站220kV侧母线单相短路电流。

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