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基于PSCAD的220k V主變110k V側(cè)單相短路時(shí)中性點(diǎn)接地方式分析

2013-08-22 01:35:06楊亞奇袁欽鵬
科技視界 2013年23期
關(guān)鍵詞:電抗等值中性點(diǎn)

楊亞奇 袁欽鵬

(山東科技大學(xué),山東 青島 266590)

220kV變電站在我國(guó)電力系統(tǒng)中占有重要地位,其主變能否安全運(yùn)行直接影響到整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定。我國(guó)110kV及220kV系統(tǒng)普遍采用變壓器中性點(diǎn)直接接地、部分變壓器中性點(diǎn)不接地的方式,這對(duì)于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行起到了良好效果。但是,隨著系統(tǒng)容量的不斷增大,當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生接地短路故障時(shí),變壓器承受的短路電流沖擊也很?chē)?yán)重,時(shí)常發(fā)生燒毀事故。目前,單相短路故障占到系統(tǒng)總故障的80%以上,而且單相短路往往大于三相短路時(shí)的短路電流[1]。因此為了更好的保護(hù)主變,我們十分有必要對(duì)主變中性點(diǎn)接地方式進(jìn)行科學(xué)的仿真分析,并給出合理最優(yōu)的接地方案。本文對(duì)220kV主變中性點(diǎn)接地方式進(jìn)行了詳細(xì)分析,提出了計(jì)算單相短路故障電流的簡(jiǎn)化計(jì)算方法,并對(duì)某地區(qū)110kV系統(tǒng)進(jìn)行了故障仿真,進(jìn)而給出最優(yōu)接地方案。

1 220kV變電站主變中性點(diǎn)接地方式分析

220kV變電站中,主變運(yùn)行方式多為2臺(tái)接線(xiàn)方式為YNynd11的主變并列運(yùn)行。其中性點(diǎn)接地方式有以下4種:

1)1臺(tái)主變(下文中以1#主變代替)220、110kV側(cè)中性點(diǎn)都接地,另一臺(tái)主變(下文中以2#主變代替)220、110kV側(cè)都不接地。

2)1#主變 220、110kV側(cè)中性點(diǎn)都接地,2#主變 220kV側(cè)不接地,110kV側(cè)接地。

3)1#主變220、110kV側(cè)中性點(diǎn)都接地,2#主變220kV側(cè)接地,110kV側(cè)不接地。

4)1#和2#主變的220、110kV側(cè)中性點(diǎn)都接地[2]。

圖1 方式1~4的變電站正序和負(fù)序等值電抗圖

選擇在220kV主變110kV側(cè)母線(xiàn)出口發(fā)生單相接地短路故障,方式1~4的變電站正序等值電抗圖和負(fù)序等值電抗圖如圖1[3]。由于方式1中2#主變高、中壓側(cè)中性點(diǎn)均不接地,因此零序等值電抗圖僅有1#主變部分;方式3中2#主變中壓側(cè)不接地,因此零序電流無(wú)法由故障點(diǎn)向高壓側(cè)流通,因此零序等值電抗圖中也僅有1#主變部分,方式1、3的零序等值電抗圖相同。方式2中1#主變高中壓側(cè)均接地,2#主變僅中壓側(cè)接地,對(duì)2#主變來(lái)說(shuō),故障點(diǎn)和中壓側(cè)接地點(diǎn)間可構(gòu)成零序電流通路。方式4的零序等值電抗圖為兩臺(tái)主變并聯(lián)形式。

圖 1 中 Xh(1)為 220kV 側(cè)線(xiàn)路正序電抗;X1h(1)、X1m(1)和 X1l(1)分別為1# 主變高壓側(cè)、中壓測(cè)和低壓側(cè)正序電抗;X2h(1)、X2m(1)和 X2l(1)分別為2#主變高壓側(cè)、中壓測(cè)和低壓側(cè)正序電抗;Xl(1)為110kV側(cè)線(xiàn)路正序電抗。

2 四種接地方式下短路電流的簡(jiǎn)要手工計(jì)算方法

在用PSCAD對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行單相接地短路故障仿真的同時(shí),需要對(duì)短路電流進(jìn)行手工計(jì)算,并通過(guò)將仿真值與手工計(jì)算值比對(duì)來(lái)檢驗(yàn)仿真模型是否正確。在查閱了許多文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)單相短路電流計(jì)算方法的介紹比較復(fù)雜,沒(méi)有一種簡(jiǎn)單且誤差相對(duì)較小的計(jì)算方法,因此本文詳細(xì)介紹了一種簡(jiǎn)要計(jì)算方法,并且通過(guò)將計(jì)算值與仿真值做比對(duì)來(lái)證明此簡(jiǎn)要計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。

2.1 針對(duì)方式1的短路電流計(jì)算

當(dāng)220kV變電站內(nèi)兩臺(tái)并聯(lián)的主變運(yùn)行于方式1時(shí)(設(shè)1#主變中性點(diǎn)接地),主變110kV側(cè)發(fā)生單相接地短路,設(shè)故障相為A相。在手工計(jì)算時(shí),我們采用簡(jiǎn)化算法計(jì)算各序等值電抗,由于正、負(fù)序等值電抗值取決于220kV線(xiàn)路電抗和變壓器高、中壓繞組等值電抗,故忽略變壓器低壓繞組等值電抗和110kV線(xiàn)路電抗。為簡(jiǎn)化計(jì)算,可分別將兩臺(tái)主變的高、中壓繞組等值電抗并聯(lián),然后將兩部分串聯(lián),則可得到圖1簡(jiǎn)化后的正序網(wǎng)絡(luò)圖,如圖2,從而可計(jì)算正序等值電抗Xff(1)(下文圖和公式中,凡未標(biāo)注為有名值的均為標(biāo)幺值)。

圖2 方式1下簡(jiǎn)化正序網(wǎng)絡(luò)圖

負(fù)序等值電抗 Xff(2)=Xff(2)。 在零序網(wǎng)絡(luò)中,零序電流必須經(jīng)過(guò)大地才能構(gòu)成通路,而且電流的流通與變壓器中性點(diǎn)接地方式及變壓器接法有密切關(guān)系,故不能省略變壓器低壓繞組等值電抗。簡(jiǎn)化零序網(wǎng)絡(luò)圖如圖3。

圖3 方式1下簡(jiǎn)化零序網(wǎng)絡(luò)圖

表1 方式1下并聯(lián)主變短路電流分配表

則單相接地短路電流為[3]:

其中U為短路故障前故障相的電壓標(biāo)幺值,認(rèn)為U=1。此處求得的短路電流標(biāo)幺值If為流經(jīng)并聯(lián)主變220kV側(cè)短路電流之和,由于理想變壓器高、中壓側(cè)功率關(guān)系為:

故流經(jīng)并聯(lián)主變中壓測(cè)故障電流為高壓側(cè)的兩倍,則流經(jīng)故障點(diǎn)短路電流近似有名值為:

其中SB為基準(zhǔn)容量,VB為基準(zhǔn)電壓。

因?yàn)閱蜗喽搪窌r(shí)短路電流各序分量相同,即 If(1)=If(2)=If(0),對(duì)于參數(shù)相同的兩臺(tái)并聯(lián)主變而言,單相短路電流各序分量的分配情況如表1。

因此流經(jīng)接地主變110kV側(cè)短路電流為不接地主變的兩倍,即:

2.2 其他三種接地方式下短路電流簡(jiǎn)化計(jì)算方法

圖4 方式2下簡(jiǎn)化零序網(wǎng)絡(luò)圖

方式3與方式1的計(jì)算方法相同;方式4與方式1的不同之處為零序網(wǎng)絡(luò)中 XT1(0)、XT2(0)、XT0(0)均為兩臺(tái)主變并聯(lián)值; 方式 2 零序網(wǎng)絡(luò)圖如圖4。

零序等值電抗為:

3 某地區(qū)110kV系統(tǒng)單相接地仿真與計(jì)算

圖5 某地區(qū)電網(wǎng)一次系統(tǒng)圖

圖6 某地區(qū)電網(wǎng)PSCAD模型圖

某地區(qū)110kV系統(tǒng)是一個(gè)以220kV變電站為電源中心,呈輻射狀向各個(gè)110kV變電站供電的網(wǎng)絡(luò),方式1下一次系統(tǒng)圖如圖5,PSCAD建模如圖6。方式2~4僅改變2#主變中性點(diǎn)接地方式,為節(jié)省篇幅不再畫(huà)出。

在圖6中令220kV變電站110kV側(cè)發(fā)生單相接地短路,分別對(duì)故障點(diǎn)和兩臺(tái)220kV主變110kV側(cè)出線(xiàn)故障電流在4種接地方式下仿真。為節(jié)省篇幅,下面只給出方式1和方式2的仿真波形,如圖 7~12。

用第二節(jié)中的手工計(jì)算方法計(jì)算4種方式下的故障電流,并將計(jì)算結(jié)果與PSCAD仿真結(jié)果作對(duì)比,如表2所示。

通過(guò)對(duì)比手工計(jì)算和仿真值可以發(fā)現(xiàn),運(yùn)用上文介紹的簡(jiǎn)化計(jì)算方法所得結(jié)果與仿真結(jié)果誤差均在5%以?xún)?nèi),因此可以滿(mǎn)足計(jì)算精確度的要求。

分析以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),220kV主變110kV側(cè)發(fā)生單相接地短路時(shí),當(dāng)采用方式1和方式3時(shí)流過(guò)1#主變的故障電流最大,不利于保護(hù)主變;采用方式4時(shí)流過(guò)故障點(diǎn)短路電流雖然最大,但是流過(guò)兩臺(tái)主變的故障電流較平均,1#主變故障電流為4種方式最小值,有利于保護(hù)主變,但是方式4在現(xiàn)實(shí)中很少采用;方式2增加了一個(gè)110kV側(cè)接地點(diǎn),并上一條零序電流通路后總故障電流雖然有所增加,但是流過(guò)1#主變的故障電流減小,故方式2的效果介于方式1和4之間。因此,主變四種接地方式中方式2最有利于保護(hù)主變。

圖7 方式1下故障點(diǎn)電流

圖8 方式1下1#主變電流

圖9 方式1下2#主變電流

圖10 方式2下故障點(diǎn)電流

圖11 方式2下1#主變電流

圖12 方式2下2#主變電流

表2 短路電流計(jì)算值與仿真值比對(duì)

4 結(jié)論

220kV變電站中主變中性點(diǎn)接地方式直接影響著電網(wǎng)的安全運(yùn)行。本文分析了220kV變電站主變中性點(diǎn)四種接地方式以及110kV側(cè)發(fā)生單相接地短路故障時(shí)短路電流的簡(jiǎn)化計(jì)算方法,并用PSCAD對(duì)某地區(qū)110kV系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的仿真。通過(guò)對(duì)比仿真值與計(jì)算值,方式2增加一臺(tái)主變110kV側(cè)中性點(diǎn)接地的方案最有利于保護(hù)主變,降低了故障電流對(duì)主變的沖擊,減小了發(fā)生單相接地短路故障時(shí)主變燒毀的可能性。

[1]黃方能.220kV變電站主變110kV側(cè)接地方式分析[J].高電壓技術(shù),2007,12(33):73-73.

[2]舒思維.220kV 變電站主變中性點(diǎn)接地方式分析[J].技術(shù)與市場(chǎng),2012,4(19):157-158.

[3]何仰贊,溫增銀.電力系統(tǒng)分析[M].華中科技大學(xué)出版社,2002:202-204.

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