特高壓換流站單相短路電流抑制措施及對電網(wǎng)可靠性的影響分析

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0 引 言

隨著電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模的不斷擴大和交直流混聯(lián)系統(tǒng)的加強，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)象時有發(fā)生。短路電流過大會給設(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)計和運行面臨的重大問題[1]。

在目前國內(nèi)外通用的PSASP計算程序中，換流變壓器模型集成在直流系統(tǒng)模型中，使用該模型進行三相、單相短路計算時，直流被直接作為負荷處理，不提供短路電流。但在實際單相短路計算中，換流變壓器對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)和變電站兩個層面采取措施[4]。需要根據(jù)電網(wǎng)實際情況，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基于方案計算短路電流。

短路電流計算結(jié)果如表1所示。

表1 500 kV側(cè)短路電流計算結(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脈動結(jié)構(gòu)，兩個12脈動換流器串聯(lián)組成一極，一極共包含4臺換流變壓器，其中兩臺為YNd接線，兩臺為YNy接線[5]。

對YNd接線變壓器，當YN側(cè)有零序電壓時，由于中性點接地，每相零序電流可以經(jīng)過變壓器繞組和大地回路。同時三角形接線側(cè)繞組產(chǎn)生零序電動勢和零序電流，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

換流變壓器零序勵磁電抗一般較繞組漏抗大很多倍，且對于負荷中心地區(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)

換流變壓器勵磁電抗較大，因此可以認為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于并聯(lián)了阻抗很小的零序支路，對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增大12 kA以上。

1.3 電源側(cè)升壓變壓器對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、右岸電廠裝機容量為8×800 MW，各機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臺機組升壓變壓器中性點配有18 Ω小電抗外，其余配套機組升壓變壓器中性點均直接接地。

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

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，機組升壓變壓器采用YNd接法，高壓側(cè)發(fā)生不對稱故障時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為中性點小電抗值；XG(1)為發(fā)電機正序電抗。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組除向家壩機組考慮小電抗外，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

限制開機是降低系統(tǒng)短路電流最直接的手段，其也可以認為是一種增大系統(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，可通過關(guān)停近區(qū)火電機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、新平等火電機組，關(guān)停戎州1臺機組、新平500 kV接入機組及方山1臺機組后(升壓變壓器同時退出)，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。

在夏季高峰負荷情況下，限制開機可能導(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)的負荷增長，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，限制開機僅可作為限制短路電流的臨時性方案。

2.2 換流變壓器中性點加裝小電抗

大容量換流變壓器采用YNd接線方式是換流站500 kV單相短路電流超標最重要的因素，因此可考慮在YNd接線換流變壓器中性點加裝小電抗以增大零序電抗來限制單相短路電流。隨著中性點小電抗阻值的增加，其對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險來自于中性點絕緣，雷電及操作過電壓可通過加裝避雷器進行限制，而加裝小電抗后中性點最大工頻過電壓必須在換流變壓器中性點工頻耐壓范圍內(nèi)[8]。

宜賓、復(fù)龍換流站換流變壓器中性點可耐受工頻電壓均為95 kV，對換流變壓器中性點小電抗在不同方式下單相短路時承受的工頻電壓進行簡要分析，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)生單相短路時短路電流為

(6)

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

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

(7)

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

(8)

由式(8)可看出，XN越大，中性點電壓越高。

考慮對中性點過電壓最嚴重的方式(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行計算得到該方式下500 kV單相短路時中性點工頻電壓達到69.7 kV，絕緣裕度較大。即使考慮3臺YNd接法換流變壓器檢修，剩余1臺YNd接法換流變壓器中性點工頻電壓也僅達到82.7 kV，仍有一定裕度。

根據(jù)上述計算，在換流變壓器中性點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)電抗器的運行方式簡單、安全可靠、維護簡單，技術(shù)較為成熟，工程實施可行性高[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。可考慮通過在宜賓—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。此方案可作為遠期限制短路電流備選方案。

3 結(jié) 語

考慮換流變壓器對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個方面措施：

1)臨時限流方案：限制近區(qū)火電機組開機。通過關(guān)停戎州、方山各1臺機組以及新平500 kV接入機組，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，同時單相短路時換流變壓器中性點工頻過電壓低于其工頻耐壓水平。此方案成本較小，實施相對簡單，在場地條件和中性點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，且停電時間較長，近區(qū)斷面輸送限額也需重新校核，可作為遠期備選方案。