500kV自耦变压器中性点经小电抗接地方式在电力系统中的应用

摘要该文是《三峡电站500kV主变压器中性点接地方式优化选择》一文的续篇。随着电力系统不断扩大，受端系统逐步加强，500kV变电站特别是220kV侧单相短路电流大于三相短路电流的现象时有发生，给设备选择带来困难。文中研究了500kV变电站单相短路电流急剧增长的原因，计算了变压器中性点经小电抗接地对限制单相短路电流的作用，论证了经小电抗接地是限制单相短路电流的有效措施之一，并阐述了500kV自耦变压器中性点经小电抗接地后，其等值零序电抗的计算方法，可供工程参考。
　　关键词自耦变压器中性点接地应用
　　1问题的提出
　　 《电网技术》1997年第5期刊登了笔者所作《三峡电站500kV主变压器中性点接地方式优化选择》一文，这是一个工程总结。三峡电站机组台数多，大量主变压器中性点直接接地后使系统零序电抗大大降低，导致单相短路电流超过三相短路电流，造成断路器遮断容量选择困难。采用中性点经小电抗接地后将单相短路电流限制到三相短路电流水平，较好地解决了这个问题。
　　随着电力系统不断扩大、受端电网逐步加强，我国几个500kV电网在2010年前后将相继出现密集的双/多环网。例如上海周围180km的一个双环网，接入了8个变电站，平均站距不到23km；北京周围270km的双环网，接入6个变电站，平均站距45km；湖北鄂东和辽宁辽阳双环网周长分别为340km和425km，接入了6个和7个变电站，平均站距也仅50～60km。这些变电站不但规模大，而且全部采用自耦变压器，中性点均为直接死接地，使得不少母线的单相短路电流大于三相短路电流。如何解决这个问题?采用变压器中性点经小电抗接地是否有效?自耦变压器经小电抗接地后电抗值如何计算?要注意什么问题?等等，本文拟解决这些问题。
　　 2我国500kV大型电力系统短路水平展望
　　 根据1997年下半年几个设计单位完成的2010年电力系统规划设计，华东、华北、华中、东北四大电网2010年装机容量分别将达到98300、90540、70270和67351MW，为现有装机容量的2.5～3倍，这将引起短路电流水平的急剧上升，加以网络的加强，大量自耦变压器的使用，更将出现单相短路电流大于三相短路电流的情况。表1列出了上述电网几个典型变电站的短路电流水平。
　　表1几个典型变电站的预计短路电流水平　　 厂、站
　　名称 所在
　　系统 电压
　　/kV 三相短路
　　电流/kA 单相短路
　　电流/kA 规模
　　/MVA 杨行变 华东 500 65.2 69.0^* 2×750＋1×1500 220 43.6
　　 外高桥厂 华东 500 58.7 63.0^* 3000 顺义变 华北 500 56.7 50.8 4×1500 220 63.6 70^* 安定变 华北 500 56.2 50.1 2×801＋5×750 220 60.4 68.2^*
　　 郑西变 华中 500 40.0 35.5 2×750 220 44.3 44.8
　　 凤凰山变 华中 500 37.1 30.8 2×750 220 43.5 43.8
　　 汉阳变 华中 500 34.6 30.0 2×750 220 41.5 42.5
　　 沙岭变 东北 500 39.5 37.3 3×750 220 40.6 50.3
　　 沈东变 东北 500 36.5 33.9 2×100 220 44.0 49.7
　　
　　 注：1.资料引自文献［1～4］。
　　2.预测时间除华北系统为2020年外，其余均为2010年水平。
　　3.有*者为忽略220kV侧系统后的估算值，有误差，可能略偏校
　　由表1可见，(1)华东电网的杨行、外高桥两站(厂)500kV系统的单相短路电流大于三相短路电流，其他各站500kV母线侧三相短路电流大于单相短路电流。(2)四大网所列8个变电站的220kV侧单相短路电流均大于三相短路电流，说明它有一定的普遍性。(3)上述现象，特别是220kV侧已严重影响断路器的选择，有的还造成其它设备选择困难，同时也增加了变电站接地网的设计难度。
　　出现上述现象的主要原因有五：
　　(1)系统越来越大，网络得到加强，联系更加紧密，使短路电流相应增大。
　　(2)规模巨大的发电厂多台升压变压器中性点直接死接地，使本站或附近变电站的零序电抗急剧下降而导致单相短路电流增大，以致大于或接近于三相短路电流。
　　(3)随着电网的发展，受端网络日益加强，同时，受端负荷中心的负荷密度不断增大，使得500kV变电站更加密集。本文所举的上海、北京、鄂东和辽阳等负荷中心电网，站距均在20～60km间，增加了单相短路电流大于三相短路电流的可能性。
　　(4)由于制造上的原因，降压型自耦变压器的中压侧电抗常为零或接近于零，大量使用500kV自耦变压器是导致220kV侧单相短路电流大于三相短路电流的重要原因。
　　(5)规模巨大的500kV变电站，其低压侧电抗急剧降低，引起220kV侧的零序等效电抗下降，从而导致单相短路电流升高。华北电网的顺义、安定两变电站，容量分别达到6000MVA和5350MVA，其单相短路电流比三相短路电流高出的倍数也明显高于其它系统的厂、站。
　　3500kV自耦变压器中性点经小电抗接地方式对限制单相短路电流的作用
　　 图1为杨行、凤凰山和安定三变电站单相短路电流与中性点小电抗器电抗的关系曲线。　　
　　 图1典型变电站单相短路电流
　　与中性点小电抗阻抗的关系曲线
　　 对于降低500kV单相短路电流，中性点经小电抗接地有一定效果，但不太明显。杨行变电站小电抗阻抗值即使由0提高到1.2Uk%，其单相短路电流也只由69kA降到66kA，只下降3kA，下降率为5%；凤凰山由30.8kA降到27.6kA，减小3.2kA，下降率为10.4%。可见下降率不高。但对于220kV侧，其效果却十分显著。杨行、凤凰山、安定三变电站220kV侧的单相短路电流分别由47.5kA、43.8kA、68.2kA降到21.1kA、28.8kA、31.6kA，分别减少了26.4kA、15kA、16.6kA，下降率分别达到55%、34%和54%。
　　由此可见，500kV自耦变压器中性点经小电抗器接地是一项限制220kV侧单相短路电流极为有效的措施。
　　 4中性点经小电抗接地的500kV自耦变压器电抗值计算
　　 对于中性点经小电抗接地的普通变压器，当Yo接法的绕组中通过零序电流时，中性点接地阻抗上将流过三倍零序电流，并产生相应的电压降，使中性点产生与大地不同的电位。因此，其零序等值阻抗应为该绕组的漏抗与三倍中性点小电抗之和。
　　对于自耦变压器则不然，由于自耦变压器有一个公共线圈，各线圈共用一个中性点和接地阻抗，因此，中性点的入地电流，应等于两个自耦绕组零序电流之差的三倍。当自耦变压器的中性点经小电抗接地时，中性点的电位，不像普通变压器那样只取决于一个绕组的零序电流，而要受两个绕组的零序电流的影响。因此，中性点接地电抗对零序等值电路及其参数的影响，也与普通变压器不同。
　　图2为中性点经小电抗接地的自耦变压器电路图及其零序等值电路。图中1、2、3分别表示高、中、低压三个绕组，X1、X2、X3为中性点直接接地时的高、中、低压侧的等值零序电抗，X′1、X′2、X′3为中性点经小电抗接地后的高、中、低压等值零序电抗。(a)为三绕组自耦变压器，将绕组3开路(即三角形开口)时，归算到1侧的零序等值电路。设中性点电压为n，绕组端点对地电压为10、20，绕组端点对中性点的电压为1n、2n，则有
　　
　　
　　
　　
　　图2中性点经小电抗接地的
　　自耦变压器及其零序等值电路
　　 若高、中压绕组变比为k＝U1/U2，则可以得到归算到1侧的等值电抗为
　　
　　 式(2)中等号右边第一项为变压器直接接地时1-2间归算到1侧的等值电抗，即
　　
　　 而
　　 于是
　　
　　 若将绕组2开路，则自耦变压器相当于一台Y0/Δ接法的普通变压器，其归算到1侧的等值电抗为
　　
　　 同样，若将绕组1开路，也是一台Y0/Δ的普通变压器，归算到1侧的等值电抗为
　　
　　 由式(3)、(4)和(5)即可求得中性点经小电抗接地的自耦变压器高、中、低压侧等值零序电抗为
　　
　　 由式(6)可以看出，中性点经电抗接地的自耦变压器与普通变压器不同，它的零序等值电路中，包括三角形在内的各侧等值电抗，均包含有与中性点接地电抗有关的附加项，而普通变压器则仅在中性点电抗接入侧增加附加项。
　　 5综合分析
　　 (1)变电站规模不宜过大。由表1数据可知，变电站规模对500kV单相短路电流有一定影响，但主要还是取决于系统容量。而220kV则不然，单相短路电流不但受系统容量影响，且与变电站的规模密切相关。杨行、顺义、安定和沙岭等变电站规模较大，单相短路电流超过三相短路电流的百分值亦高。华中三个站均为2组750MVA变压器，单相短路电流增加就相对小一些。笔者以为，变电站规模以不超过3000～4000MVA为好。
　　(2)由于种种原因，当必须建设规模巨大的变电站时，则可将多台变压器在220kV侧分裂运行，以减少220kV侧的短路电流。
　　(3)500kV变压器中性点经小电抗接地能有效地抑制220kV侧单相短路电流，这是降低220kV侧单相短路电流的一种有效措施。
　　(4)对杨行、凤凰山和安定三个变电站的220kV单相短路电流实测表明，当变压器中性点接入的小电抗阻值为变压器高、中压Uk%的10%时，三个站的单相短路电流下降幅度均已超过10%，当小电抗阻值达到高、中压Uk%的30%时，下降幅度已达20%甚至更多，下降的电流值可达10kA以上，已足以满足要求。因此，在一般情况下，小电抗阻值可在变压器高、中压Uk%的1/10～1/3之间选择。
　　(5)当变压器中性点接入小电抗后，中性点绝缘水平宜适当提高，当发生单相接地短路时，中性点电位取决于通过中性点的三倍零序电流乘以小电抗值，由图2可知，它等于3(10～20)Xn。当小电抗阻值不高时，按国标GB1094.1-85的规定选取63kV级，一般便能满足要求。
　　 6结束语
　　 通过研究，笔者认为，当500kV变电站220kV侧单相短路电流过大而需要加以限制时，采用中性点经小电抗接地是一项极为有效的措施，其阻值可在高、中压Uk%值的1/10～1/3之间选择。此时，在一般情况下，其中性点绝缘水平大约相当于由原来死接地的35kV级提高到63kV级，能满足要求。
　　当自耦变压器中性点经小电抗接地后，等值零序电抗计算与普通变压器不同，其高、中、低压三个绕组的零序电抗均包含有小电抗分量，这是必须充分注意的。
　　 作者简介：朱天游教授级高级工程师，1955年毕业于上海交通大学电力工程系，从事电力系统规划设计工作40多年；中国电机工程学会电力系统专业委员会委员，中国电网公司专家委员会委员，前水电部长江三峡工程电力系统专题论证专家组专家兼工作组副组长，前国家科委长江三峡工程重大科学技术研究攻关项目电力系统规划专题专家组专家，享受国家特殊津贴，著有论文近40篇。
　　 作者单位：朱天游（中南电力设计院，湖北武昌，430071）
　　 参考文献
　　1华东电力设计院.华东电网中长期电源规模优化、调峰规划及电网规划.1998
　　2华北电力设计院.华北2010年电网规划.1997
　　3中南电力设计院.华中电网2010年网络规划第5卷短路电流计算.1997
　　4东北电力设计院.东北地区2010年电网发展规划.1997
　　5何仰赞，温增银，汪馥英，周勤慧.电力系统分析.武汉：华中工学院出版社，1984
　　6甘肃省水利电力局，西北电力设计院.电力系统规划设计手册.1974