基于PSCAD的220k V主变110k V侧单相短路时中性点接地方式分析

杨亚奇 袁钦鹏

（山东科技大学，山东 青岛 266590）

220kV变电站在我国电力系统中占有重要地位，其主变能否安全运行直接影响到整个电网的稳定。我国110kV及220kV系统普遍采用变压器中性点直接接地、部分变压器中性点不接地的方式，这对于系统稳定运行起到了良好效果。但是，随着系统容量的不断增大，当系统内发生接地短路故障时，变压器承受的短路电流冲击也很严重，时常发生烧毁事故。目前，单相短路故障占到系统总故障的80%以上，而且单相短路往往大于三相短路时的短路电流[1]。因此为了更好的保护主变，我们十分有必要对主变中性点接地方式进行科学的仿真分析，并给出合理最优的接地方案。本文对220kV主变中性点接地方式进行了详细分析，提出了计算单相短路故障电流的简化计算方法，并对某地区110kV系统进行了故障仿真，进而给出最优接地方案。

1 220kV变电站主变中性点接地方式分析

220kV变电站中，主变运行方式多为2台接线方式为YNynd11的主变并列运行。其中性点接地方式有以下4种：

1）1台主变（下文中以1#主变代替）220、110kV侧中性点都接地，另一台主变（下文中以2#主变代替）220、110kV侧都不接地。

2）1#主变 220、110kV侧中性点都接地，2#主变 220kV侧不接地，110kV侧接地。

3）1#主变220、110kV侧中性点都接地，2#主变220kV侧接地，110kV侧不接地。

4）1#和2#主变的220、110kV侧中性点都接地[2]。

图1 方式1～4的变电站正序和负序等值电抗图

选择在220kV主变110kV侧母线出口发生单相接地短路故障，方式1～4的变电站正序等值电抗图和负序等值电抗图如图1[3]。由于方式1中2#主变高、中压侧中性点均不接地，因此零序等值电抗图仅有1#主变部分；方式3中2#主变中压侧不接地，因此零序电流无法由故障点向高压侧流通，因此零序等值电抗图中也仅有1#主变部分，方式1、3的零序等值电抗图相同。方式2中1#主变高中压侧均接地，2#主变仅中压侧接地，对2#主变来说，故障点和中压侧接地点间可构成零序电流通路。方式4的零序等值电抗图为两台主变并联形式。

图 1 中 Xh（1）为 220kV 侧线路正序电抗；X1h（1）、X1m（1）和 X1l（1）分别为1# 主变高压侧、中压测和低压侧正序电抗；X2h（1）、X2m（1）和 X2l（1）分别为2#主变高压侧、中压测和低压侧正序电抗；Xl（1）为110kV侧线路正序电抗。

2 四种接地方式下短路电流的简要手工计算方法

在用PSCAD对电网进行单相接地短路故障仿真的同时，需要对短路电流进行手工计算，并通过将仿真值与手工计算值比对来检验仿真模型是否正确。在查阅了许多文献后发现对系统内单相短路电流计算方法的介绍比较复杂，没有一种简单且误差相对较小的计算方法，因此本文详细介绍了一种简要计算方法，并且通过将计算值与仿真值做比对来证明此简要计算方法的准确性。

2.1 针对方式1的短路电流计算

当220kV变电站内两台并联的主变运行于方式1时（设1#主变中性点接地），主变110kV侧发生单相接地短路，设故障相为A相。在手工计算时，我们采用简化算法计算各序等值电抗，由于正、负序等值电抗值取决于220kV线路电抗和变压器高、中压绕组等值电抗，故忽略变压器低压绕组等值电抗和110kV线路电抗。为简化计算，可分别将两台主变的高、中压绕组等值电抗并联，然后将两部分串联，则可得到图1简化后的正序网络图，如图2，从而可计算正序等值电抗Xff（1）（下文图和公式中，凡未标注为有名值的均为标幺值）。

图2 方式1下简化正序网络图

负序等值电抗 Xff（2）＝Xff（2）。 在零序网络中，零序电流必须经过大地才能构成通路，而且电流的流通与变压器中性点接地方式及变压器接法有密切关系，故不能省略变压器低压绕组等值电抗。简化零序网络图如图3。

图3 方式1下简化零序网络图

表1 方式1下并联主变短路电流分配表

则单相接地短路电流为[3]：

其中U为短路故障前故障相的电压标幺值，认为U=1。此处求得的短路电流标幺值If为流经并联主变220kV侧短路电流之和，由于理想变压器高、中压侧功率关系为：

故流经并联主变中压测故障电流为高压侧的两倍，则流经故障点短路电流近似有名值为：

其中SB为基准容量，VB为基准电压。

因为单相短路时短路电流各序分量相同，即 If（1）＝If（2）＝If（0），对于参数相同的两台并联主变而言，单相短路电流各序分量的分配情况如表1。

因此流经接地主变110kV侧短路电流为不接地主变的两倍，即：

2.2 其他三种接地方式下短路电流简化计算方法

图4 方式2下简化零序网络图

方式3与方式1的计算方法相同；方式4与方式1的不同之处为零序网络中 XT1（0）、XT2（0）、XT0（0）均为两台主变并联值； 方式 2 零序网络图如图4。

零序等值电抗为：

3 某地区110kV系统单相接地仿真与计算

图5 某地区电网一次系统图

图6 某地区电网PSCAD模型图

某地区110kV系统是一个以220kV变电站为电源中心，呈辐射状向各个110kV变电站供电的网络，方式1下一次系统图如图5，PSCAD建模如图6。方式2～4仅改变2#主变中性点接地方式，为节省篇幅不再画出。

在图6中令220kV变电站110kV侧发生单相接地短路，分别对故障点和两台220kV主变110kV侧出线故障电流在4种接地方式下仿真。为节省篇幅，下面只给出方式1和方式2的仿真波形，如图 7～12。

用第二节中的手工计算方法计算4种方式下的故障电流，并将计算结果与PSCAD仿真结果作对比，如表2所示。

通过对比手工计算和仿真值可以发现，运用上文介绍的简化计算方法所得结果与仿真结果误差均在5%以内，因此可以满足计算精确度的要求。

分析以上数据可以发现，220kV主变110kV侧发生单相接地短路时，当采用方式1和方式3时流过1#主变的故障电流最大，不利于保护主变；采用方式4时流过故障点短路电流虽然最大，但是流过两台主变的故障电流较平均，1#主变故障电流为4种方式最小值，有利于保护主变，但是方式4在现实中很少采用；方式2增加了一个110kV侧接地点，并上一条零序电流通路后总故障电流虽然有所增加，但是流过1#主变的故障电流减小，故方式2的效果介于方式1和4之间。因此，主变四种接地方式中方式2最有利于保护主变。

图7 方式1下故障点电流

图8 方式1下1#主变电流

图9 方式1下2#主变电流

图10 方式2下故障点电流

图11 方式2下1#主变电流

图12 方式2下2#主变电流

表2 短路电流计算值与仿真值比对

4 结论

220kV变电站中主变中性点接地方式直接影响着电网的安全运行。本文分析了220kV变电站主变中性点四种接地方式以及110kV侧发生单相接地短路故障时短路电流的简化计算方法，并用PSCAD对某地区110kV系统进行了相应的仿真。通过对比仿真值与计算值，方式2增加一台主变110kV侧中性点接地的方案最有利于保护主变，降低了故障电流对主变的冲击，减小了发生单相接地短路故障时主变烧毁的可能性。

［1］黄方能.220kV变电站主变110kV侧接地方式分析[J].高电压技术,2007,12（33）：73-73.

［2］舒思维.220kV 变电站主变中性点接地方式分析[J].技术与市场,2012,4（19）：157-158.

［3］何仰赞,温增银.电力系统分析[M].华中科技大学出版社,2002：202-204.