摘要該文是《三峽電站500kV主變壓器中性點(diǎn)接地方式優(yōu)化選擇》一文的續(xù)篇。隨著電力系統(tǒng)不斷擴(kuò)大，受端系統(tǒng)逐步加強(qiáng)，500kV變電站特別是220kV側(cè)單相短路電流大于三相短路電流的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，給設(shè)備選擇帶來困難。文中研究了500kV變電站單相短路電流急劇增長的原因，計(jì)算了變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地對限制單相短路電流的作用，論證了經(jīng)小電抗接地是限制單相短路電流的有效措施之一，并闡述了500kV自耦變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地后，其等值零序電抗的計(jì)算方法，可供工程參考。
　　關(guān)鍵詞自耦變壓器中性點(diǎn)接地應(yīng)用
　　1問題的提出
　　 《電網(wǎng)技術(shù)》1997年第5期刊登了筆者所作《三峽電站500kV主變壓器中性點(diǎn)接地方式優(yōu)化選擇》一文，這是一個(gè)工程總結(jié)。三峽電站機(jī)組臺數(shù)多，大量主變壓器中性點(diǎn)直接接地后使系統(tǒng)零序電抗大大降低，導(dǎo)致單相短路電流超過三相短路電流，造成斷路器遮斷容量選擇困難。采用中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地后將單相短路電流限制到三相短路電流水平，較好地解決了這個(gè)問題。
　　隨著電力系統(tǒng)不斷擴(kuò)大、受端電網(wǎng)逐步加強(qiáng)，我國幾個(gè)500kV電網(wǎng)在2010年前后將相繼出現(xiàn)密集的雙/多環(huán)網(wǎng)。例如上海周圍180km的一個(gè)雙環(huán)網(wǎng)，接入了8個(gè)變電站，平均站距不到23km；北京周圍270km的雙環(huán)網(wǎng)，接入6個(gè)變電站，平均站距45km；湖北鄂東和遼寧遼陽雙環(huán)網(wǎng)周長分別為340km和425km，接入了6個(gè)和7個(gè)變電站，平均站距也僅50～60km。這些變電站不但規(guī)模大，而且全部采用自耦變壓器，中性點(diǎn)均為直接死接地，使得不少母線的單相短路電流大于三相短路電流。如何解決這個(gè)問題?采用變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地是否有效?自耦變壓器經(jīng)小電抗接地后電抗值如何計(jì)算?要注意什么問題?等等，本文擬解決這些問題。
　　 2我國500kV大型電力系統(tǒng)短路水平展望
　　 根據(jù)1997年下半年幾個(gè)設(shè)計(jì)單位完成的2010年電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)，華東、華北、華中、東北四大電網(wǎng)2010年裝機(jī)容量分別將達(dá)到98300、90540、70270和67351MW，為現(xiàn)有裝機(jī)容量的2.5～3倍，這將引起短路電流水平的急劇上升，加以網(wǎng)絡(luò)的加強(qiáng)，大量自耦變壓器的使用，更將出現(xiàn)單相短路電流大于三相短路電流的情況。表1列出了上述電網(wǎng)幾個(gè)典型變電站的短路電流水平。
　　表1幾個(gè)典型變電站的預(yù)計(jì)短路電流水平　　 廠、站
　　名稱 所在
　　系統(tǒng) 電壓
　　/kV 三相短路
　　電流/kA 單相短路
　　電流/kA 規(guī)模
　　/MVA 楊行變 華東 500 65.2 69.0^* 2×750＋1×1500 220 43.6
　　 外高橋廠 華東 500 58.7 63.0^* 3000 順義變 華北 500 56.7 50.8 4×1500 220 63.6 70^* 安定變 華北 500 56.2 50.1 2×801＋5×750 220 60.4 68.2^*
　　 鄭西變 華中 500 40.0 35.5 2×750 220 44.3 44.8
　　 鳳凰山變 華中 500 37.1 30.8 2×750 220 43.5 43.8
　　 漢陽變 華中 500 34.6 30.0 2×750 220 41.5 42.5
　　 沙嶺變 東北 500 39.5 37.3 3×750 220 40.6 50.3
　　 沈東變 東北 500 36.5 33.9 2×100 220 44.0 49.7
　　
　　 注：1.資料引自文獻(xiàn)［1～4］。
　　2.預(yù)測時(shí)間除華北系統(tǒng)為2020年外，其余均為2010年水平。
　　3.有*者為忽略220kV側(cè)系統(tǒng)后的估算值，有誤差，可能略偏校
　　由表1可見，(1)華東電網(wǎng)的楊行、外高橋兩站(廠)500kV系統(tǒng)的單相短路電流大于三相短路電流，其他各站500kV母線側(cè)三相短路電流大于單相短路電流。(2)四大網(wǎng)所列8個(gè)變電站的220kV側(cè)單相短路電流均大于三相短路電流，說明它有一定的普遍性。(3)上述現(xiàn)象，特別是220kV側(cè)已嚴(yán)重影響斷路器的選擇，有的還造成其它設(shè)備選擇困難，同時(shí)也增加了變電站接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)難度。
　　出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因有五：
　　(1)系統(tǒng)越來越大，網(wǎng)絡(luò)得到加強(qiáng)，聯(lián)系更加緊密，使短路電流相應(yīng)增大。
　　(2)規(guī)模巨大的發(fā)電廠多臺升壓變壓器中性點(diǎn)直接死接地，使本站或附近變電站的零序電抗急劇下降而導(dǎo)致單相短路電流增大，以致大于或接近于三相短路電流。
　　(3)隨著電網(wǎng)的發(fā)展，受端網(wǎng)絡(luò)日益加強(qiáng)，同時(shí)，受端負(fù)荷中心的負(fù)荷密度不斷增大，使得500kV變電站更加密集。本文所舉的上海、北京、鄂東和遼陽等負(fù)荷中心電網(wǎng)，站距均在20～60km間，增加了單相短路電流大于三相短路電流的可能性。
　　(4)由于制造上的原因，降壓型自耦變壓器的中壓側(cè)電抗常為零或接近于零，大量使用500kV自耦變壓器是導(dǎo)致220kV側(cè)單相短路電流大于三相短路電流的重要原因。
　　(5)規(guī)模巨大的500kV變電站，其低壓側(cè)電抗急劇降低，引起220kV側(cè)的零序等效電抗下降，從而導(dǎo)致單相短路電流升高。華北電網(wǎng)的順義、安定兩變電站，容量分別達(dá)到6000MVA和5350MVA，其單相短路電流比三相短路電流高出的倍數(shù)也明顯高于其它系統(tǒng)的廠、站。
　　3500kV自耦變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地方式對限制單相短路電流的作用
　　 圖1為楊行、鳳凰山和安定三變電站單相短路電流與中性點(diǎn)小電抗器電抗的關(guān)系曲線?！　?
　　 圖1典型變電站單相短路電流
　　與中性點(diǎn)小電抗阻抗的關(guān)系曲線
　　 對于降低500kV單相短路電流，中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地有一定效果，但不太明顯。楊行變電站小電抗阻抗值即使由0提高到1.2Uk%，其單相短路電流也只由69kA降到66kA，只下降3kA，下降率為5%；鳳凰山由30.8kA降到27.6kA，減小3.2kA，下降率為10.4%。可見下降率不高。但對于220kV側(cè)，其效果卻十分顯著。楊行、鳳凰山、安定三變電站220kV側(cè)的單相短路電流分別由47.5kA、43.8kA、68.2kA降到21.1kA、28.8kA、31.6kA，分別減少了26.4kA、15kA、16.6kA，下降率分別達(dá)到55%、34%和54%。
　　由此可見，500kV自耦變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電抗器接地是一項(xiàng)限制220kV側(cè)單相短路電流極為有效的措施。
　　 4中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地的500kV自耦變壓器電抗值計(jì)算
　　 對于中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地的普通變壓器，當(dāng)Yo接法的繞組中通過零序電流時(shí)，中性點(diǎn)接地阻抗上將流過三倍零序電流，并產(chǎn)生相應(yīng)的電壓降，使中性點(diǎn)產(chǎn)生與大地不同的電位。因此，其零序等值阻抗應(yīng)為該繞組的漏抗與三倍中性點(diǎn)小電抗之和。
　　對于自耦變壓器則不然，由于自耦變壓器有一個(gè)公共線圈，各線圈共用一個(gè)中性點(diǎn)和接地阻抗，因此，中性點(diǎn)的入地電流，應(yīng)等于兩個(gè)自耦繞組零序電流之差的三倍。當(dāng)自耦變壓器的中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地時(shí)，中性點(diǎn)的電位，不像普通變壓器那樣只取決于一個(gè)繞組的零序電流，而要受兩個(gè)繞組的零序電流的影響。因此，中性點(diǎn)接地電抗對零序等值電路及其參數(shù)的影響，也與普通變壓器不同。
　　圖2為中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地的自耦變壓器電路圖及其零序等值電路。圖中1、2、3分別表示高、中、低壓三個(gè)繞組，X1、X2、X3為中性點(diǎn)直接接地時(shí)的高、中、低壓側(cè)的等值零序電抗，X′1、X′2、X′3為中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地后的高、中、低壓等值零序電抗。(a)為三繞組自耦變壓器，將繞組3開路(即三角形開口)時(shí)，歸算到1側(cè)的零序等值電路。設(shè)中性點(diǎn)電壓為n，繞組端點(diǎn)對地電壓為10、20，繞組端點(diǎn)對中性點(diǎn)的電壓為1n、2n，則有
　　
　　
　　
　　
　　圖2中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地的
　　自耦變壓器及其零序等值電路
　　 若高、中壓繞組變比為k＝U1/U2，則可以得到歸算到1側(cè)的等值電抗為
　　
　　 式(2)中等號右邊第一項(xiàng)為變壓器直接接地時(shí)1-2間歸算到1側(cè)的等值電抗，即
　　
　　 而
　　 于是
　　
　　 若將繞組2開路，則自耦變壓器相當(dāng)于一臺Y0/Δ接法的普通變壓器，其歸算到1側(cè)的等值電抗為
　　
　　 同樣，若將繞組1開路，也是一臺Y0/Δ的普通變壓器，歸算到1側(cè)的等值電抗為
　　
　　 由式(3)、(4)和(5)即可求得中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地的自耦變壓器高、中、低壓側(cè)等值零序電抗為
　　
　　 由式(6)可以看出，中性點(diǎn)經(jīng)電抗接地的自耦變壓器與普通變壓器不同，它的零序等值電路中，包括三角形在內(nèi)的各側(cè)等值電抗，均包含有與中性點(diǎn)接地電抗有關(guān)的附加項(xiàng)，而普通變壓器則僅在中性點(diǎn)電抗接入側(cè)增加附加項(xiàng)。
　　 5綜合分析
　　 (1)變電站規(guī)模不宜過大。由表1數(shù)據(jù)可知，變電站規(guī)模對500kV單相短路電流有一定影響，但主要還是取決于系統(tǒng)容量。而220kV則不然，單相短路電流不但受系統(tǒng)容量影響，且與變電站的規(guī)模密切相關(guān)。楊行、順義、安定和沙嶺等變電站規(guī)模較大，單相短路電流超過三相短路電流的百分值亦高。華中三個(gè)站均為2組750MVA變壓器，單相短路電流增加就相對小一些。筆者以為，變電站規(guī)模以不超過3000～4000MVA為好。
　　(2)由于種種原因，當(dāng)必須建設(shè)規(guī)模巨大的變電站時(shí)，則可將多臺變壓器在220kV側(cè)分裂運(yùn)行，以減少220kV側(cè)的短路電流。
　　(3)500kV變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地能有效地抑制220kV側(cè)單相短路電流，這是降低220kV側(cè)單相短路電流的一種有效措施。
　　(4)對楊行、鳳凰山和安定三個(gè)變電站的220kV單相短路電流實(shí)測表明，當(dāng)變壓器中性點(diǎn)接入的小電抗阻值為變壓器高、中壓Uk%的10%時(shí)，三個(gè)站的單相短路電流下降幅度均已超過10%，當(dāng)小電抗阻值達(dá)到高、中壓Uk%的30%時(shí)，下降幅度已達(dá)20%甚至更多，下降的電流值可達(dá)10kA以上，已足以滿足要求。因此，在一般情況下，小電抗阻值可在變壓器高、中壓Uk%的1/10～1/3之間選擇。
　　(5)當(dāng)變壓器中性點(diǎn)接入小電抗后，中性點(diǎn)絕緣水平宜適當(dāng)提高，當(dāng)發(fā)生單相接地短路時(shí)，中性點(diǎn)電位取決于通過中性點(diǎn)的三倍零序電流乘以小電抗值，由圖2可知，它等于3(10～20)Xn。當(dāng)小電抗阻值不高時(shí)，按國標(biāo)GB1094.1-85的規(guī)定選取63kV級，一般便能滿足要求。
　　 6結(jié)束語
　　 通過研究，筆者認(rèn)為，當(dāng)500kV變電站220kV側(cè)單相短路電流過大而需要加以限制時(shí)，采用中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地是一項(xiàng)極為有效的措施，其阻值可在高、中壓Uk%值的1/10～1/3之間選擇。此時(shí)，在一般情況下，其中性點(diǎn)絕緣水平大約相當(dāng)于由原來死接地的35kV級提高到63kV級，能滿足要求。
　　當(dāng)自耦變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地后，等值零序電抗計(jì)算與普通變壓器不同，其高、中、低壓三個(gè)繞組的零序電抗均包含有小電抗分量，這是必須充分注意的。
　　 作者簡介：朱天游教授級高級工程師，1955年畢業(yè)于上海交通大學(xué)電力工程系，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)工作40多年；中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)電力系統(tǒng)專業(yè)委員會(huì)委員，中國電網(wǎng)公司專家委員會(huì)委員，前水電部長江三峽工程電力系統(tǒng)專題論證專家組專家兼工作組副組長，前國家科委長江三峽工程重大科學(xué)技術(shù)研究攻關(guān)項(xiàng)目電力系統(tǒng)規(guī)劃專題專家組專家，享受國家特殊津貼，著有論文近40篇。
　　 作者單位：朱天游（中南電力設(shè)計(jì)院，湖北武昌，430071）
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