傅 旭王笑飛李富春張鵬宇

(1.西北電力設(shè)計(jì)院有限公司,陜西 西安710075;2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司,吉林 長春130000)

0 引言

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,電網(wǎng)規(guī)模和短路電流的矛盾日益突出[1-5],限制短路電流已經(jīng)成為電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行的一個重要研究課題[6-10]。

電力研究工作者提出了多種限制短路電流的方法,如將大機(jī)組降壓運(yùn)行限制短路電流[11]、利用綜合優(yōu)化模型解決特高壓受端電網(wǎng)的單相短路電流和三相短路電流超標(biāo)問題[12]、220 kV電網(wǎng)分區(qū)解環(huán)運(yùn)行[13]、在電網(wǎng)規(guī)劃和設(shè)備選型時應(yīng)用疊加定理計(jì)算含變流型電源電網(wǎng)短路電流[14]、利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)短路時電壓電流的特性關(guān)系求解出風(fēng)電場的短路電流[15]、利用端口補(bǔ)償法計(jì)算故障端口阻抗參數(shù)矩陣,進(jìn)而求出短路電流[16]等。

近年來,隨著青海電網(wǎng)的迅猛發(fā)展,尤其是青海南部地區(qū)特高壓直流外送通道及其配套750 kV工程的建成投運(yùn),青海南部地區(qū)750 kV電網(wǎng)短路電流超標(biāo)風(fēng)險激增,亟需研究限制短路電流措施。本文分析青海南部地區(qū)短路電流的發(fā)展趨勢和750 kV母線短路電流超標(biāo)的原因,推導(dǎo)線路出串運(yùn)行和裝設(shè)串聯(lián)電抗器的短路電流靈敏度,提出限制青海南部750 kV母線短路電流的措施。

1 塔拉750 kV母線短路電流問題分析

2025年青海南部地區(qū)750 kV電網(wǎng)接線結(jié)構(gòu)如圖1所示,短路電流計(jì)算結(jié)果如表1所示。2025年塔拉750 kV母線三相短路電流54.55 kA、單相短路電流58.96 kA,遠(yuǎn)超塔拉變50 kA斷路器的開斷能力。分析各支路對塔拉變短路電流的貢獻(xiàn),日月山站和合樂站提供的短路電流很大,分別提供短路電流占比約20%左右(兩回線)和42%左右(三回線)。另外,海南換流站換流變接地,導(dǎo)致塔拉750 kV母線單相短路電流較高。

圖1 青海網(wǎng)架接線示意圖Fig.1 Qinghai power grid structure diagram

表1 2025年塔拉750 kV母線短路電流Table 1 Short circuit current of Tala 750 kV bus in 2025 year

2 塔拉750 kV站短路電流限制措施模擬

從塔拉750 kV母線短路電流超標(biāo)原因來看,限制短路電流的措施需要從網(wǎng)架結(jié)構(gòu)調(diào)整著手,若不能達(dá)到限流的目的,則需要考慮升級開關(guān)。

2.1 線路出串運(yùn)行

利用變電站內(nèi)3/2接線方式實(shí)現(xiàn)線路出串運(yùn)行,是降低電網(wǎng)短路電流的方法之一。圖2中正常運(yùn)行時斷路器A、B和C都閉合,當(dāng)斷路器A、C開斷而B閉合時,AB線和BC線通過斷路器B直接相連實(shí)現(xiàn)出串運(yùn)行,和站內(nèi)的母線以及其他設(shè)備斷開。圖中AB線和BC線正常運(yùn)行時,可以理解成AB線和BC線通過零阻抗線路(斷路器A、C)和其他設(shè)備相連,出串運(yùn)行時斷路器A、C。通過引入虛擬節(jié)點(diǎn),當(dāng)線路需出串時,并聯(lián)一個阻抗值為-1的支路模擬。

圖2 線路出串模擬Fig.2 Breaking of line out of string

2.2 線路裝設(shè)串抗模擬

線路裝設(shè)串聯(lián)電抗器通過在需要裝設(shè)串抗的線路兩端并聯(lián)一個阻抗值為(-zij)//(zij+zL)的支路模擬[17],如圖3所示,其中zL為線路i-j接入的串聯(lián)電抗器阻抗,zij為線路i-j的阻抗。

圖3 線路加裝串抗模擬Fig.3 Model of line with reactor

2.3 750 kV線路改接

圖4 線路改接模擬Fig.4 Model of line change connection

線路改接可以通過線路開斷來模擬,如圖4所示,節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間的線路改接至節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)m,可通過追加2條阻抗分別為-zij、zij的線路模擬。其中,節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間追加-zij支路表示將節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間的線路切除,節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)m之間追加zij支路則表示該支路改接至節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)m。

2.4 短路電流靈敏度計(jì)算

采用追加法來表示支路切除后節(jié)點(diǎn)阻抗變化量,可得出超標(biāo)母線短路電流的靈敏度[17]。

切除節(jié)點(diǎn)i和j之間的線路i-j前后,短路電流標(biāo)幺值的變化量為

切除某條線路i-j,相當(dāng)于在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上追加一條阻抗值為-zij的線路。支路切除前后矩陣對角線元素的變化量為

其中

式中：Zii為原網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)i的自阻抗;Zjj為原網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)j的自阻抗;Zij為節(jié)點(diǎn)i、j的互阻抗;zij為切除線路的阻抗。

短路電流標(biāo)幺值的改變量

其中,Zfi和Zfj分別為斷開線路首末端節(jié)點(diǎn)與三相短路電流超標(biāo)研究節(jié)點(diǎn)之間的互阻抗。

轉(zhuǎn)成有名值為

單相接地短路為不對稱短路,單相接地短路的電流標(biāo)幺值為

式中Zeq為等效故障阻抗

單相接地短路電流標(biāo)幺值的變化量

其中,線路切除前后的等效故障阻抗之差為：

綜合以上各式,可得出單相接地短路電流靈敏度為

3 限流措施效果分析

3.1 塔拉750 kV出線加裝串抗

如前所述,從各支路提供的故障電流來看,塔拉—合樂每回750 kV線路提供的短路電流超過8 kA,因此,可考慮在該線路上加裝串抗限制塔拉750 kV母線的短路電流。塔拉—合樂三回線路各加裝5～30Ω串抗后短路電流見表2,其中塔拉和合樂站的母線電壓均為800 kV,塔拉站開關(guān)遮斷能力為50 kA,合樂站開關(guān)遮斷能力為63 kA。

可以看出,塔拉—合樂三回線路各加裝15Ω串抗,塔拉750 kV母線三相短路電流可降至50 kA以內(nèi),但單相短路電流超過50 kA;加裝30Ω串抗,塔拉750 kV母線單相短路電流仍接近50 kA。因此,僅加裝串抗不能解決塔拉750 kV母線短路電流超標(biāo)問題。另外,塔拉—合樂線路為海南直流電源匯集線路,潮流較重,不宜加裝串抗,且塔拉750 kV變未留有裝設(shè)串抗的位置。

3.2 塔拉750 kV出線出串運(yùn)行

按目前750 kV間隔排列來看,塔拉變具備出串運(yùn)行的線路有羊曲—塔拉和塔拉—合樂、紅旗—塔拉和塔拉—海西、日月山—塔拉和塔拉—合樂。在調(diào)度運(yùn)行時可考慮臨時采取750 kV線路出串運(yùn)行。本文考慮三種出串方式,如圖5所示,短路電流計(jì)算結(jié)果如表3所示。

(1)方式一：如圖5(a)所示,羊曲—塔拉和塔拉—合樂出串運(yùn)行形成羊曲—合樂線路,線路出串后,塔拉750 kV母線短路電流降低至56.28 kA,合樂750 kV母線短路電流降低至59.45 kA。

(2)方式二：如圖5(b)所示,紅旗—塔拉和塔拉—海西出串運(yùn)行形成紅旗—海西線路,線路出串后,塔拉750 kV母線短路電流降低至57.64 kA,合樂750 kV母線短路電流降低至59.64 kA;從網(wǎng)架結(jié)構(gòu)來看,海西與塔拉、紅旗形成三角環(huán)網(wǎng),網(wǎng)架變化不大,塔拉短路電流變化很小。

(3)方式三：如圖5(c)所示,日月山—塔拉和塔拉—合樂出串運(yùn)行形成日月山—合樂線路,線路出串后,塔拉750 kV母線短路電流降低至54.06 kA,合樂750 kV母線短路電流降低至57.64 kA。

圖5 塔拉750 kV線路出串運(yùn)行示意圖Fig.5 Schematic diagram of Tala 750 kV line out-of-string

表3 2025年短路電流計(jì)算結(jié)果(塔拉750 kV線路出串運(yùn)行)Table 3 Short-circuit calculation results in 2025(Tara 750 kV line out-of-string) kA

綜上所述,僅從限制短路電流角度,塔拉相關(guān)750 kV線路出串運(yùn)行,不能解決塔拉短路電流超標(biāo)問題,750 kV出串運(yùn)行與其他措施配合可在一定程度上降低短路電流,在電網(wǎng)運(yùn)行中可作為一種輔助措施。需要說明的是,出串運(yùn)行已改變原電網(wǎng)的結(jié)構(gòu),需結(jié)合具體方式進(jìn)行校核分析,以不影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行為前提。

3.3 750 kV線路改接方案

結(jié)合前面分析,為限制塔拉750 kV母線短路電流超標(biāo)問題,提出如下750 kV線路改接方案,如圖6所示,短路電流計(jì)算結(jié)果見表4。

圖6 塔拉換流站750 kV母線短路電流解決方案Fig.6 Tala 750 kV bus short-circuit current solution

表4 短路電流計(jì)算結(jié)果Table 4 Short-circuit calculation results kA

方案Ⅰ：海西—塔拉雙回線路塔拉側(cè)改接入紅旗,紅旗通過3回750 kV線路接入海南換流站,如圖6(a)所示。

方案Ⅱ：將羊曲匯—塔拉雙回線路塔拉側(cè)改接入紅旗,紅旗通過3回750 kV線路接入海南換流站,如圖6(b)所示。

可以看出,按方案Ⅰ實(shí)施后,塔拉750 kV母線最大短路電流降低至48.22 kA,但海南換流站750 kV母線最大短路電流接近63 kA;按方案Ⅱ?qū)嵤┖?塔拉750 kV母線短路電流僅降低至52.52 kA,仍超過50 kA,而且海南換流站750 kV母線最大短路電流已接近63 kA。另外,網(wǎng)架調(diào)整還存在以下問題：方案Ⅰ存在750 kV線路交叉跨越,實(shí)施困難;方案Ⅱ,換流站成為電網(wǎng)的核心位置,造成大型電源接入點(diǎn)過于集中,水電站群送出可靠性較低,若海南換流站發(fā)生故障退出運(yùn)行,將造成整個水電站群電力無法送出。

4 結(jié)論

(1)僅考慮加裝串抗不能解決塔拉750 kV母線短路電流超標(biāo)問題。塔拉—合樂線路為海南直流電源匯集線路,潮流較重,不宜加裝串抗,且塔拉均未留有裝設(shè)串抗的位置。

(2)塔拉750 kV出線出串運(yùn)行,不能解決塔拉短路電流超標(biāo)問題,遠(yuǎn)期為限制短路電流需要,750 kV出串運(yùn)行與其他措施配合,在電網(wǎng)運(yùn)行中可作為一種輔助措施。

(3)相關(guān)750 kV線路改接方案存在線路交叉跨越、水電站群送出可靠性差等問題。

(4)為避免750 kV線路交叉跨越,保證水電送出可靠送出,建議塔拉750 kV變升級改造或置換750 kV開關(guān)。