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(1.國(guó)網(wǎng)四川綜合能源服務(wù)有限公司，四川 成都 610061； 2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

隨著電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和交直流混聯(lián)系統(tǒng)的加強(qiáng)，電網(wǎng)的短路電流水平逐年攀升，且部分母線單相短路電流大于三相短路電流的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。短路電流過大會(huì)給設(shè)備選擇帶來困難，危害人身和設(shè)備安全，已成為電力系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)行面臨的重大問題[1]。

在目前國(guó)內(nèi)外通用的PSASP計(jì)算程序中，換流變壓器模型集成在直流系統(tǒng)模型中，使用該模型進(jìn)行三相、單相短路計(jì)算時(shí)，直流被直接作為負(fù)荷處理，不提供短路電流。但在實(shí)際單相短路計(jì)算中，換流變壓器對(duì)單相短路電流有顯著的影響。

宜賓、復(fù)龍換流站換流變壓器容量分別為9696 MVA、7706 MVA，換流變壓器容量大且換流站與周邊500 kV 電網(wǎng)的聯(lián)系較為緊密[2]，考慮換流變壓器對(duì)零序阻抗的影響，加上向家壩、溪洛渡等水電站的大功率直流配套電源的集中接入，導(dǎo)致2個(gè)換流站500 kV側(cè)單相短路電流超過三相短路電流，且已接近或超過斷路器的最大遮斷容量[3]，需采取措施限制短路電流，以保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

電網(wǎng)短路電流的限制可從電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和變電站兩個(gè)層面采取措施[4]。需要根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際情況，在保證供電可靠性的基礎(chǔ)上采取合理的措施限制短路電流。

1 宜賓、復(fù)龍換流站短路電流分析

1.1 短路電流計(jì)算

賓金、復(fù)奉直流近區(qū)500 kV網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 賓金、復(fù)奉直流近區(qū)500 kV系統(tǒng)接線

基于2018年四川電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，在全網(wǎng)全開機(jī)方式下，退出500 kV站和220 kV站的低容低抗，不退出特高壓直流換流站濾波器，保留線路高壓電抗器，利用PSASP 7.30基于方案計(jì)算短路電流。

短路電流計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 500 kV側(cè)短路電流計(jì)算結(jié)果

可以看出，宜賓、復(fù)龍換流站的單相短路電流均大于63 kA。

1.2 換流變壓器對(duì)單相短路電流的影響

特高壓直流系統(tǒng)換流器普遍采用雙12脈動(dòng)結(jié)構(gòu)，兩個(gè)12脈動(dòng)換流器串聯(lián)組成一極，一極共包含4臺(tái)換流變壓器，其中兩臺(tái)為YNd接線，兩臺(tái)為YNy接線[5]。

對(duì)YNd接線變壓器，當(dāng)YN側(cè)有零序電壓時(shí)，由于中性點(diǎn)接地，每相零序電流可以經(jīng)過變壓器繞組和大地回路。同時(shí)三角形接線側(cè)繞組產(chǎn)生零序電動(dòng)勢(shì)和零序電流，零序電流在三相繞組內(nèi)自成回路，d側(cè)出線上沒有零序電流，相當(dāng)于變壓器的零序電路與外側(cè)電路之間是斷開的，等值電路如圖2所示。

圖2 YNd接線變壓器零序回路

換流變壓器零序勵(lì)磁電抗一般較繞組漏抗大很多倍，且對(duì)于負(fù)荷中心地區(qū)接線方式為YNd的變壓器，零序阻抗與正序阻抗十分接近[6]，因此YNd接線變壓器零序阻抗可簡(jiǎn)化為

X(o)=Xl+Xll

(1)

式中，XI、XII分別為變壓器高壓側(cè)和中壓側(cè)的正序等值阻抗。

YNy接線變壓器的二次側(cè)沒有零序電流通路，所以其零序等值電路在二次側(cè)是斷開的，等值電路如圖3所示。

圖3 YNy接線變壓器零序回路

YNy接線變壓器零序電抗為

X(0)=XI+Xm0

(2)

換流變壓器勵(lì)磁電抗較大，因此可以認(rèn)為YNy接法變壓器零序電抗為無窮大。

由于YNd換流變壓器的影響，換流站500 kV零序等效電路中相當(dāng)于并聯(lián)了阻抗很小的零序支路，對(duì)換流站單相短路電流產(chǎn)生顯著影響，導(dǎo)致宜賓、復(fù)龍兩換流站短路電流相比不考慮換流變壓器時(shí)增大12 kA以上。

1.3 電源側(cè)升壓變壓器對(duì)單相短路電流的影響

賓金直流配套電源溪洛渡左岸電廠裝機(jī)容量為9×770 MW，復(fù)奉直流配套電源向家壩左、右岸電廠裝機(jī)容量為8×800 MW，各機(jī)組和變壓器均采用單元接線方式，升壓變壓器采用YNd接法，除向家壩8臺(tái)機(jī)組升壓變壓器中性點(diǎn)配有18 Ω小電抗外，其余配套機(jī)組升壓變壓器中性點(diǎn)均直接接地。

單元接線方式、升壓變壓器YNd接法的機(jī)組正序、零序等值回路如圖4至圖6所示(不考慮勵(lì)磁支路)。

圖4 單元接線

圖5 正序網(wǎng)絡(luò)

圖6 零序網(wǎng)絡(luò)

與換流變壓器類似，機(jī)組升壓變壓器采用YNd接法，高壓側(cè)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)變壓器提供零序通路，其零序支路等值電抗為

X∑0=XT0=XT(1)+3XN

(3)

正序等值電抗為

X∑1=XT(1)+XG(1)

(4)

式中：XT(1)為變壓器漏抗；XN為中性點(diǎn)小電抗值；XG(1)為發(fā)電機(jī)正序電抗。從式(3)、式(4)及等值電路圖可以看出，升壓變壓器無小電抗情況下，由于發(fā)電機(jī)正序電抗XG(1)的存在，發(fā)電單元總正序電抗大于零序電抗，將導(dǎo)致高壓側(cè)單相短路電流大于三相短路電流。

賓金、復(fù)龍換流站直流配套機(jī)組除向家壩機(jī)組考慮小電抗外，其余均采用直接接地，配套電源等值零序電抗小于正序電抗，是換流站500 kV單相短路電流大于三相短路電流的另一原因。若溪洛渡、向家壩水電站所有配套機(jī)組均不接地，則賓金、復(fù)龍換流站500 kV單相短路電流可降低5 kA左右。

2 宜賓、復(fù)龍換流站短路電流限制措施

限制單相短路電流，可以從增大系統(tǒng)正序阻抗和零序阻抗方面采取措施。

2.1 限制近區(qū)開機(jī)

限制開機(jī)是降低系統(tǒng)短路電流最直接的手段，其也可以認(rèn)為是一種增大系統(tǒng)正序阻抗的方式。為保證夏季特高壓直流滿送，暫不考慮限制溪洛渡、向家壩水電站配套電源開機(jī)，可通過關(guān)停近區(qū)火電機(jī)組限制換流站單相短路電流。以2018年夏季方式為例，換流站近區(qū)有戎州、方山、新平等火電機(jī)組，關(guān)停戎州1臺(tái)機(jī)組、新平500 kV接入機(jī)組及方山1臺(tái)機(jī)組后(升壓變壓器同時(shí)退出)，復(fù)龍、宜賓換流站單相短路電流可分別限制到62.7 kA和62.3 kA。

在夏季高峰負(fù)荷情況下，限制開機(jī)可能導(dǎo)致近區(qū)電壓支撐能力不足，特別是洪板線潮流較重，洪溝變電站近區(qū)本身電壓支撐能力較弱。此外，隨著近區(qū)宜賓和瀘州地區(qū)的負(fù)荷增長(zhǎng)，限制火電出力后可能導(dǎo)致敘府和瀘州變電站主變壓器不滿足N-1校核，削弱了電網(wǎng)的供電能力。因此，限制開機(jī)僅可作為限制短路電流的臨時(shí)性方案。

2.2 換流變壓器中性點(diǎn)加裝小電抗

大容量換流變壓器采用YNd接線方式是換流站500 kV單相短路電流超標(biāo)最重要的因素，因此可考慮在YNd接線換流變壓器中性點(diǎn)加裝小電抗以增大零序電抗來限制單相短路電流。隨著中性點(diǎn)小電抗阻值的增加，其對(duì)220 kV側(cè)母線單相短路電流的限制效果逐漸趨于飽和[7]。通常小電抗值按常規(guī)500 kV兩繞組升壓變壓器阻值選擇方法，取不大于1/3漏抗的小電抗值。考慮在宜賓、復(fù)龍換流站YNd接線換流變壓器加裝14 Ω小電抗。加裝小電抗后，2018年復(fù)龍、宜賓換流站單相短路電流可分別降低至60.5 kA和60.3 kA，低于開關(guān)遮斷能力。

加裝小電抗最主要的風(fēng)險(xiǎn)來自于中性點(diǎn)絕緣，雷電及操作過電壓可通過加裝避雷器進(jìn)行限制，而加裝小電抗后中性點(diǎn)最大工頻過電壓必須在換流變壓器中性點(diǎn)工頻耐壓范圍內(nèi)[8]。

宜賓、復(fù)龍換流站換流變壓器中性點(diǎn)可耐受工頻電壓均為95 kV，對(duì)換流變壓器中性點(diǎn)小電抗在不同方式下單相短路時(shí)承受的工頻電壓進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，加入小電抗XN后，換流變壓器支路零序阻抗變?yōu)?/p>

XT0=XT(1)+3XN

(5)

換流站500 kV母線發(fā)生單相短路時(shí)短路電流為

(6)

式中：Uk為短路點(diǎn)故障前的初始電壓；X∑1、X∑2、X∑0分別為換流站外部正、負(fù)、零序等值阻抗。

單相短路時(shí)短路相正、負(fù)、零序電流相等，可得流經(jīng)換流變壓器中性點(diǎn)的電流為

(7)

電力系統(tǒng)中一般認(rèn)為系統(tǒng)正序阻抗等于負(fù)序阻抗，中性點(diǎn)電壓可表示為

(8)

由式(8)可看出，XN越大，中性點(diǎn)電壓越高。

考慮對(duì)中性點(diǎn)過電壓最嚴(yán)重的方式(換流站外部正序阻抗X∑1最小)，取換流站500 kV三相短路電流為63 kA，換流站外部零序阻抗X∑0為正序阻抗X∑1的3倍。以宜賓換流站為例進(jìn)行計(jì)算得到該方式下500 kV單相短路時(shí)中性點(diǎn)工頻電壓達(dá)到69.7 kV，絕緣裕度較大。即使考慮3臺(tái)YNd接法換流變壓器檢修，剩余1臺(tái)YNd接法換流變壓器中性點(diǎn)工頻電壓也僅達(dá)到82.7 kV，仍有一定裕度。

根據(jù)上述計(jì)算，在換流變壓器中性點(diǎn)加裝小電抗是限制單相短路的一種可行方案，不過由于換流變壓器設(shè)備較為特殊，加裝小電抗仍需謹(jǐn)慎。此外受電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等因素的影響，小電抗限制單相短路電流的作用是有限的，并且主要限制本站的單相短路電流。

2.3 線路增設(shè)串聯(lián)電抗器限制短路電流

采用串聯(lián)電抗器可以增加線路阻抗，達(dá)到限制短路電流的目的。這是一種傳統(tǒng)的限流措施。串聯(lián)電抗器的運(yùn)行方式簡(jiǎn)單、安全可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單，技術(shù)較為成熟，工程實(shí)施可行性高[9]。2008年500 kV泗涇—黃渡線在泗涇側(cè)安裝了14 Ω串聯(lián)電抗器，是500 kV串聯(lián)電抗器在國(guó)內(nèi)的首次應(yīng)用。

由于宜賓、復(fù)龍換流站僅通過14 km的500 kV線路聯(lián)接，電氣距離近，YNd接法換流變壓器引起的總零序電抗減小效果更加明顯，導(dǎo)致單相短路電流超標(biāo)?？煽紤]通過在宜賓—復(fù)龍雙回線路增設(shè)14 Ω串聯(lián)電抗器削弱兩換流站聯(lián)系，增大系統(tǒng)等值阻抗來限制短路電流。采用上述方案后，宜賓、復(fù)龍兩換流站單相短路電流降低至56.9 kA和56.1 kA。

串聯(lián)電抗器可有效限制單相及三相短路電流，但其一次性投入成本較大，而且串入系統(tǒng)后會(huì)增加系統(tǒng)的無功損耗及有功損耗。此外串聯(lián)電抗器投入后會(huì)改變近區(qū)線路的潮流分布，系統(tǒng)穩(wěn)定情況和近區(qū)斷面輸送限額需重新校核。此方案可作為遠(yuǎn)期限制短路電流備選方案。

3 結(jié) 語

考慮換流變壓器對(duì)單相短路電流的影響，宜賓、復(fù)龍換流站母線500 kV單相短路電流已超過斷路器的遮斷容量。為限制單相短路電流，可考慮以下3個(gè)方面措施：

1)臨時(shí)限流方案：限制近區(qū)火電機(jī)組開機(jī)。通過關(guān)停戎州、方山各1臺(tái)機(jī)組以及新平500 kV接入機(jī)組，可以將復(fù)龍、宜賓換流站短路電流限制到低于開關(guān)遮斷能力。

2)改造方案1：換流變壓器中性點(diǎn)加裝小電抗。通過在宜賓、復(fù)龍換流站YNd接法換流變壓器加裝14 Ω小電抗，可將復(fù)龍、宜賓換流站短路電流限制在斷路器遮斷容量以下，同時(shí)單相短路時(shí)換流變壓器中性點(diǎn)工頻過電壓低于其工頻耐壓水平。此方案成本較小，實(shí)施相對(duì)簡(jiǎn)單，在場(chǎng)地條件和中性點(diǎn)絕緣水平滿足要求的條件下，建議優(yōu)先考慮。

3)改造方案2：宜賓—復(fù)龍雙回500 kV線路增設(shè)串聯(lián)電抗器。通過在宜賓—復(fù)龍雙回線路增設(shè)14 Ω串聯(lián)電抗器，可顯著降低復(fù)龍、宜賓換流站的單相短路電流。此方案一次投入成本大，且停電時(shí)間較長(zhǎng)，近區(qū)斷面輸送限額也需重新校核，可作為遠(yuǎn)期備選方案。