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.