500 kV变电站220 kV侧母线短路过电流防范措施分析

于赞梅，孙凯航，刘 森

(1. 国网河北省电力有限公司石家庄供电分公司，石家庄 050051；2.河北省电力勘测设计研究院，石家庄 050031)

500 kV变电站220 kV侧母线短路过电流防范措施分析

于赞梅1，孙凯航2，刘 森2

(1. 国网河北省电力有限公司石家庄供电分公司，石家庄 050051；2.河北省电力勘测设计研究院，石家庄 050031)

针对国网河北省电力有限公司500 kV变电站220 kV侧母线单相短路电流超标问题，进行了原因分析，提出了串接小电抗限流的防范措施，并分析网架结构对小电抗限流作用的影响，说明了该措施的应用效果，给出了小电抗阻值的选取和变压器中性点绝缘配合的工程指导意见。

自耦变压器；中性点接地小电抗；单相短路电流；绝缘配合

1 概述

近年来，河北省南部电网规模逐步扩大，网架结构联系越发紧密，电源容量迅速增长，短路电流水平增长迅速，而且由于500 kV自耦变压器中性点直接接地，使得部分变电站短路电流已经接近了现有设备的额定遮断容量。短路电流超标制约了网络规划、电源和变电站接入、设备选型等，不利于变电站规划设计。以国网河北省电力有限公司500 kV变电站网架为例，分析如何限制500 kV变电站220 kV侧母线的短路电流。结合仿真计算数据，分析了500 kV自耦变压器加装中性点小电抗对短路电流的限制效果，并且分析了网架结构对中性点接地小电抗限制单相短路电流效果的影响，最后提出了小电抗参数选取的参考意见。

2 220 kV侧母线短路电流激增原因分析

截止2015年底国网河北省电力有限公司共有500 kV变电站16座，其中广元、慈云、黄骅等站的220 kV侧短路电流已经超过了49 kA，存在超标的风险。短路电流激增的主要原因可归结为以下几个方面。

a. 电源大规模接入。国网河北省电力有限公司的500 kV变电站集中布置在保定-石家庄-邢台-邯郸电力通道上，电网的综合等值阻抗降低，造成沿线的廉州、保北、石北等变电站短路电流偏高[1]。

b. 国网河北省电力有限公司的500 kV变压器均为自耦变压器，高中阻抗较小，且选择中性点直接接地运行方式，接地点的增多使本站和附近站的零序等值电抗下降，造成了系统单相短路电流偏高。

c. 国网河北省电力有限公司部分500 kV变电站的220 kV侧同时接入有大电源，也造成了部分220 kV侧电网短路电流快速上升[1]。

3 串接小电抗限流措施及原理

3.1 原理分析

自耦变压器中性点经小电抗接地的原理如图1所示，图2为中性点经电抗接地的自耦变压器零序等值电路。

图1 自耦变中性点经小电抗接地原理

图2 自耦变中性点小电抗接地零序等值电路

设自耦变压器的III侧绕组开路，I、II次端点与中性之间的电位差有名值为UIn、UIIn，中性点电位为Un。当中性点直接接地时Un=0，折算到一次侧的一次和二次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网络电抗值为下式[2-4]：

(1)

当中性点经电抗接地时，则折算到高压侧的等值零序电抗X′(I-II)公式(2)所示。

(2)

同理依次将中、高压侧绕组断开，可得到折算后高低压侧和中低压侧之间的零序电抗值。按照求三绕组变压器各等值电抗的计算公式，可以求得星形零序等值电路中折算到高压侧的各电抗为

式中：U1N和U2N分别为变压器高、中压侧的额定电压值。

当Xn=0时，即变压器中性点直接接地时，自耦变压器由于自身结构问题，其中压侧零序阻抗通常很小或接近于0，从而中压侧母线的单相短路电流值偏大。当中性点经小电抗Xn接地后，此时中压侧零序电抗增加显著，可以起到减小短路电流的效果。而高压侧等值零序阻抗会有所下降，导致高压侧由中性点提供的短路电流有所增加。

3.2 网架结构对小电抗限流的影响

按照国家电网公司通用设计断路器遮断容量标准，220 kV侧母线短路电流水平最大为50 kA。但将单相短路电流按照序分量算法进行分解，则需把零序短路电流限制到16.7 kA以下。通过中性点串接小电抗方式使220 kV侧零序短路电流下降到16.7 kA，此时故障点零序等值阻抗两端的电压降为83 kV左右。如果网架中220 kV母线支路侧零序等值阻抗Xbra较小，将无法通过串接小电抗把零序短路电流降低到16.7 kA。文献[5]表明，当母线支路侧零序等值阻抗Xbra小于7 Ω时，则无法通过中性点串接小电抗把零序短路电流降低到16.7 kA，也无法把200 kV侧单相短路电流降低到断路器开断电流以下。因此，需要改变系统运行网架结构，增大220 kV母线支路侧零序等值阻抗Xbra。

4 串接小电抗限流应用效果分析

4.1 仿真分析

短路计算采用了电力系统BPA仿真平台，内部构建了河北省南部电网所有系统节点。根据国网河北省电力有限公司2014年数据计算的短路电流，国网河北省电力有限公司部分500 kV变电站的220 kV侧母线单相短路电流超过了其三相短路电流，表1列出了河北省电力有限公司具有代表性的变电站的短路电流水平。

对上述500 kV变电站内变压器中性点串接小电抗进行短路计算仿真。图3仿真计算结果表明，中性点小电抗按5 Ω级差增大至15 Ω时，上述变电站的500 kV母线单相短路电流均出现了下降，下降值小于0.09 kA，说明在500 kV变压器中串接小电抗对500 kV母线的单相短路电流限制效果不大。因为站内500 kV母线的短路电流主要来源500 kV电网，220 kV电网对其短路电流影响较小；其次高压侧等值零序等值阻抗减小造成的500 kV侧零序电流增长，与220 kV侧零序电流减小部分抵消。因而500 kV侧单相短路电流值变化很小。

表1 500 kV变电站短路电流计算结果 kA

变电站500kV母线220kV母线三相单相三相单相慈云50.0945.6735.3542.17彭村50.5044.4333.5136.92黄骅48.0147.5640.8242.49沧西53.6451.8646.2249.69

图3 500 kV单相短路电流变化曲线

图4是慈云、彭村、黄骅、沧西4站主变压器中性点按5Ω级差串接小电抗后BPA仿真短路电流计算曲线。当在各变电站所有主变压器中性点串接5 Ω小电抗时，慈云、彭村、黄骅、沧西4站的220 kV侧单相计算短路电流下降至35.70 kA、31.54 kA、38.32 kA、41.30 kA，分别减少了6.47 kA、5.38 kA、4.17 kA、8.39 kA，此时除慈云站单相短路流值稍大于三相短路电流值外，其余3个站已低于其三相短路电流值。当小电抗增大至15 Ω时，4个站的220 kV单相短路电流分别下降了10.88 kA、11.30 kA、6.51 kA、8.90 kA，下降率分别为25.80%、30.61%、15.32%、17.91%。由此可见，500 kV自耦变压器中性点经小电抗接地是限制220 kV单相短路电流比较有效的措施。

图4 220 kV单相短路电流变化曲线

通过仿真计算，发现随着主变压器中性点串接小电抗值增大，220 kV侧单相短路电流值最大下降率为30.71%，短路电流值下降已不明显，小电抗的作用趋于饱和，因此500 kV主变压器中性点串接小电抗的阻抗值宜为5～15 Ω之间。

4.2 对变压器中性点绝缘配合的影响分析

在500 kV变电站设计中，虽然变压器中性点经小电抗接地可以降低220 kV侧单相短路电流，但是变压器的中性点电压将会发生一定偏移。因为500 kV自耦变压器的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等于高压和中压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，中性点电位值为 。经计算，上述串接阻抗为15Ω时，220 kV侧发生单相短路时中性点电压偏移为41.45 kV、58.84 kV、33.28 kV、31.78 kV。

按照GB/T 50064-2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》相关规定[6]：500 kV主变压器中性点直接接地，雷电全波和截波为185 kV，1 min短时工频电压为85 kV；500 kV主变压器中性点经接地电抗器接地，雷电全波和截波为325 kV，1 min短时工频电压为140 kV。在海拔高度不超过1 000 m时，35 kV等级1 min工频耐受电压为80/85，66 kV等级1 min工频耐受电压为150 kV。因此500 kV自耦变压器采用分级绝缘时，若主变压器中性点直接接地，中性点绝缘水平为35 kV；若主变压器经阻抗接地，中性点绝缘水平为66 kV。为防止发生雷击时变压器中性点过电压，并可在中性点装设避雷器，使保护设备正确识别和可靠动作。

5 结论

a. 500 kV自耦变压器中性点经小电抗接地，对500 kV母线侧单相短路电流限制作用有限。

b. 500 kV自耦变压器中性点经小电抗接地，可以有效限制220 kV侧母线单相短路电流值。但随着小电抗值的增大，对单相短路电流限制效果趋于饱和。因此，建议选择中性点小电抗阻值为5～15 Ω。

c. 当220 kV侧母线零序阻抗大于7 Ω时，可以通过增加小电抗方式限制220 kV短路电流为50 kA以下。220 kV侧母线零序阻抗小于7 Ω时，无法通过增加小电抗的阻值达到限制短路电流的效果。需要采取其它限流措施降低短路电流水平。

d. 自耦变压器串接小电抗接地后，需要核算主变压器中性点的短路耐受电压。

[1] 李晓明，赵琛珑，段晓波，等．河北省南部电网短路电流分析及限制措施[J]．河北电力技术，2010，29(1)：36-38．

[2] 李光琦．电力系统暂态分析[M]．北京：中国电力出版社，2007．

[3] 陈 珩．电力系统稳态分析[M]．北京：中国电力出版社，2007．

[4] 程云志，叶幼君．500 kV自耦变压器中性点装设小电抗的应用研究[J]．华东电力，2006，34(11)：59-61．

[5] 梁纪峰，刘文颖，梁 才，等．500 kV自耦变中性点串接小电抗对接地短路电流限制效果分析[J]．电力系统保护与控制，2011，39(13)：96-99，110．

[6] GB/T 50064-2014，交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范[S]．

s:By analyzing the causes of overcurrent in Hebei Power Corporation，series neutral reactor is proposed to reduce the 500kV substation's 220kV bus circuit. And this article has a discussion for the influence of grid structure on series neutral reactor，the simulation calculation verifies the positivity effect. In the end，this paper gives the advice for the selection of the series neutral reactor values and transformer neutral insulation coordination.

autotransformer;neutral grounding reactor;single-phase short-circuit current;insulation coordination

2017-08-03

于赞梅(1980-)，女，高级工程师，主要从事电力系统调控运行、继电保护工作。

TM411.3

B

1001-9898(2017)06-0035-04

Analysis of Precautionary Measures for Reducing 500 kV Substation 220 kV Bus Circuit

Yu Zanmei1，Sun Kaihang2，Liu Sen2

(1.State Grid Hebei Electric Power Company Co.Ltd. Shijiazhuang Power Supply Branch,Shijiazhuang 050051,China;2.Hebei Electric Power Design & Research Institute,Shijiazhuang 050031,China)

本文责任编辑：靳书海