500kV自耦变单相短路电流的限制效果分析

许 彦，赵立飞，童 伟

(国网北京经济技术研究院徐州勘测设计中心，江苏 徐州 221000)

近年来，随着电网的迅速发展，电源、电网规模的不断扩大，网架结构越来越紧密，电网的短路电流水平日益提高[1，2]。特别在500kV系统中，由于大量采用自耦变压器，其中性点直接接地，大量接地点的增加造成500kV变电站的220kV侧母线单相短路电流更大[3]，这样给相关电气设备的选择等均带来了一系列的问题，如何限制母线的短路水平成为了一个亟待解决的问题[4-6]。本文以江苏电网的连云港北（临海）500kV变电站为例，主要讨论如何对500kV变电站的220kV母线的短路电流进行限制，并结合仿真试验数据着重分析主变中性点进行串接小电抗对于主变220kV母线短路电流的限制效果，以及由中性点经小电抗接地产生的中性点绝缘匹配问题，对小电抗参数提出了指导性建议。

1 问题的提出

由于江苏电网的密集度日益提高，系统短路容量也随之增长，目前苏北网由于徐连泰降压运行线路形成的220kV联络，苏北五市的500/220kV电磁环网运行，导致苏北地区的500kV变电站的220kV母线短路电流偏高。而且江苏电网的500kV和220kV主变多为自耦变，中性点接地的数目多，考虑到自耦变良好的经济效益，未来建设的主变将会以自耦变居多，而降压型自耦变压器的中压侧电抗常为0或接近于0，所以220kV母线单相接地短路电流常大于三相短路电流，目前国内220kV断路器最高遮断容量为50 kA。现国内外限制电网短路电流主要是优化网络结构和提高电网设备容量两个方面[7]。

（1）提高断路器的遮断容量随着短路电流水平的提高而提高断路器的遮断容量。

（2）采用高阻抗变压器对降低500kV变电所220kV母线的短路电流有一定的效果。

（3）电网分层分区运行将原电压等级的网络分成若干区，辐射形接入更高一级的电网，大容量电厂直接接入更高一级的电网中，原有电压等级电网的短路电流将随之降低。

（4）变电站打开母线分段开关，使母线分列运行，有效降低短路电流水平。

（5）加装变压器中性点小电抗接地对于限制短路电流的零序分量有明显的效果。

上述措施中，措施（1）与（2）投资较大；方案（3）是限制短路的根本措施，但需要开展相应工程并结合相关电网规划才能实现；方案（4）易出现500kV主变输送能力下降的问题；而措施（5）施工便利，投资较小，特别对单相短路电流过大而三相短路电流相对较小的场合很有效[8-10]。

2 中性点串接小电抗对短路电流的限制作用

2.1 中性点串接小电抗限制短路电流的原理

中性点经小电抗接地的自耦变压器的原理图，以及中性点经小电抗接地的自耦变压器零序等值电路图如图1、图2所示。

图1 中性点经电抗接地的自耦变压器原理图

图2 中性点经电抗接地的自耦变压器零序等值电路

图1中，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ分别表示变压器的高、中、低压侧3个绕组，设XⅠ，XⅡ，XⅢ为变压器中性点直接接地时变压器高、中、低压侧的零序等值电抗，中性点经小电抗接地后的变压器高、中、低压侧的零序等值电抗为如图 2 所示的 XⅠ'，XⅡ'，XⅢ'，首先将自耦变压器低压侧绕组Ⅲ开路，设变压器高、中侧端点与中性点之间的电位差的有名值分别为UⅠN和UⅡN，中性点电位为UN，则当中性点直接接地时UN=0，折算到高压侧和中压侧绕组端点间的电位差为 UⅠN-UⅡN×UⅠN/UⅡN。 因此，折算到高压侧的等值零序电抗为[11-13]：

当中性点经电抗接地时，则折算到高压侧的等值零序电抗为：

将中压侧回路开路时，折算到高压侧的高、低压侧之间零序电抗为：

压侧绕组断开，折算到高压侧的中、低压侧之间零序电抗为：

按求三绕组变压器各绕组等值电抗的计算公式，求得星形零序等值电路中折算到高压侧的各电抗为：

式（5）中：UⅠN和 UⅡN分别为变压器高、中侧额定电压。

由式（5）分析可知，当XN=0，即变压器的中性点直接接地时，其中压侧电抗经常为0或者接近为0，从而造成中压侧母线单相短路电流很大。当中性点经小电抗XN接地后，中压侧零序电抗增加的比例显著，因此可以预测其对中压侧单相短路电流的限制效果会很明显。而由式（5）中第一式可知，变压器中性点经小电抗接地后，变压器的高压侧零序等值电抗有所减小，可能会造成变压器高压侧母线对中性点提供的零序电流有所增加。根据电路原理，中性点串接的小电抗XN仅在电网发生单相接地短路，中性点有零序电流通过的时候才会等值到零序网络中，当中性点无零序电流通过时，变压器零序等值阻抗等于其正序等值阻抗。所以XⅠ'，XⅡ'，XⅢ'为主变零序电抗，而正序电抗仍是 XⅠ，XⅡ，XⅢ。因此，在主变中性点加装小电抗只增加零序等值电抗阻值，不会改变正序等值电抗的大小，从而对正常运行时的网损无影响。

2.2 仿真试验

本文短路计算采用了中国电力科学研究院开发的《电力系统分析综合程序7.0版》中的短路计算程序包。计算不基于潮流方式，发电机取E"=1∠0°（p.u.），不计负荷影响[14]。根据江苏电网2015年夏大方式下潮流数据计算的短路电流发现，江苏网出现大量500kV变电站的220kV侧母线单相短路电流超过其三相短路电流的情况，连云港北（临海）500kV变电站220kV母线侧短路电流表如表1所示。

表1 临海500kV变电站220kV母线侧短路电流表

500kV自耦变压器中性点经小电抗接地，对500kV母线短路电流几乎无限制效果。这是因为500kV母线短路电流主要来源于500kV电网，另一方面中性点经接小电抗接地后，500kV侧零序等值电抗微弱减小造成的500kV侧零序电流增长部分，与220kV侧零序电流的减小部分相抵消，所以500kV侧单相短路电流变化很小[11]。根据中华人民共和国电力行业标准DL/T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》有关规定[15]，“中性点经电抗器接地时，其电抗值与变压器或高压并联电抗器的零序电抗之比小于等于1/3”临海变4台主变UkH-M%均为18%左右，其1/3阻值约为 15 Ω，因此，选择阻值为 8 Ω，10 Ω，12 Ω，14 Ω的小电抗分别进行短路计算和分析。由表1可见，当4台主变，500kV侧全部并列，220kV侧两组并列，临海变4台主变中性点均接入14 Ω的小电抗后，临海变220kV母线各种不平衡短路电流均可以控制在47 kA以内。但随着在500kV自耦变压器中性点串接的小电抗阻值的增加，其对220kV侧母线单相短路电流的限制效果逐渐趋于饱和。连云港北（临海）变主变中性点按5 Ω级差串接小电抗试验的短路电流关系曲线如图3所示。当分别在各变电站的所有主变中性点串接14 Ω小电抗时，临海变220kV侧的单相短路电流和两相接地短路电流分别下降到46.10 kA和46.35 kA，分别减少6.30 kA和4.22 kA，下降率达到了12.02%和8.34%，且单相短路电流已低于其三相短路电流。

图3 中性点串接不同小电抗时220kV单相短路电流曲线

2.3 变压器中性点经小电抗接地后的中性点绝缘配合

当变压器中性点经小电抗接地且发生单相接地短路时，变压器的中性点电压将会发生一定偏移。由于自耦变压器有一个公共线圈，高压侧和中压侧线圈公用一个中性点和接地阻抗，因此中性点的入地电流，应等于这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，中性点的电位要受两个绕组的零序电流的影响，中性点电位取决于通过中性点的三倍零序电流与中性点串接小电抗阻值的乘积。根据中华人民共和国电力行业标准DL/T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》有关规定，500kV主变若直接接地，其中性点短时工频耐受电压（有效值）约85kV；500kV主变若经小电抗接地，其中性点短时工频耐受电压（有效值）约140kV。当小电抗为14 Ω时，连云港北（临海）变220kV母线单相短路时中性点电压偏移42.98kV，两相接地短路时中性点电压偏移88.34kV。为防止发生雷击时变压器中性点的过电压，可在中性点装设氧化锌避雷器。常用继电保护设备均可满足正确识别和可靠动作的要求。

3 结束语

（1）对控制500kV变电站的220kV母线单相短路电流的方法，仅就降低220kV母线单相短路电流而言，采用500kV自耦变加装小电抗的措施是有效的。

（2）随着在500kV自耦变压器中性点串接的小电抗阻值的增加，220kV侧母线单相短路电流的限制效果逐渐趋于饱和。

（3）在具体工程设计中应考虑500kV自耦变压器自身的中性点绝缘水平是否能够满足因变压器中性点经小电抗接地造成的中性点电压偏移。

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