布置于線路中部的500 kV獨立串抗站技術方案探討

曹 尹，李龍才，郭 勁，伍曉倫，李春梅

(1.中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都，610021；2.國網四川省電力公司經濟技術研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

隨著電力系統容量的不斷增大，電網的短路電流水平迅速提高，需要采取措施進行限制。目前，國內500 kV電網限制短路電流的主要措施是在500 kV線路上裝設串聯限流電抗器[1-2]。一般情況下，500 kV串抗站應緊鄰變電站設置，可與變電站共用水電等輔助設施，同時便于巡視檢修。但因各種原因，有些線路兩端的變電站無串抗站擴建條件，需在500 kV線路沿線尋找場地進行建設。

與緊鄰變電站布置的500 kV串抗站相比，布置于500 kV線路中部的獨立串抗站的電氣接線形式、站用電設計原則、接地設計原則均有其特殊性。下面依托四川500 kV尖彭串抗站的具體設計實例，通過對已建串抗站設計方案的調查研究，結合相關規程規范，并綜合網省公司運行、調度等部門的要求，對在500 kV線路中部建設的獨立串抗站的電氣接線形式、設備型式、過電壓和絕緣配合、電氣布置方式、站用電方案及接地方案等技術原則進行了探討；提出了適用于布置于線路中部的500 kV獨立串抗站的主要技術方案。

1 500 kV尖彭串抗工程

近年來，四川電網短路電流水平超標問題日益突出。2020年尖山、東坡等500 kV變電站高壓側短路電流均已超過63 kA。為控制500 kV電網短路電流水平，提高成都負荷中心供電可靠性，需在尖山—彭祖500 kV線路加裝串聯電抗器，其額定阻抗值為28 Ω，額定電流為4000 A。

尖山500 kV變電站、彭祖500 kV變電站及尖彭500 kV線路均位于四川天府新區境內，土地資源緊張，兩端變電站均不具備串抗站擴建條件。通過與當地政府溝通，確定距彭祖站約3 km的洪塘南站址為串抗站唯一站址，尖彭串抗站需脫離尖山變電站和彭祖變電站單獨布置。

2 串抗站的接線型式

500 kV串抗站主要由串聯電抗器、避雷器、耦合電容器及其控制保護設備等主要元件構成。根據調研情況，目前國內已建或在建的8座500 kV串抗站中，其接線方案主要有以下兩種形式：

1)常規接線方案

串聯電抗器組串接于線路中，電抗器端部根據過電壓計算結果確定是否并聯對地耦合電容或并聯避雷器。為便于檢修及更改運行方式，串聯電抗器兩端各設置一組隔離開關，同時在兩端檢修隔離開關外側設置旁路回路及1組旁路隔離開關。串抗站兩側出線各配置1組線路避雷器。該方案具體接線形式如圖1所示，圖中避雷器MOA根據過電壓計算結果研究是否安裝。

圖1 限流串抗站接線(采用隔離開關)

2)簡化接線方案

簡化接線方案與常規接線方案類似，串聯電抗器組串接于線路中，設置旁路回路。但電抗器兩端不裝設檢修隔離開關，旁路回路不裝設旁路隔離開關。檢修及運行方式切換通過設置可拆卸導線，用改接導線方式來實現。簡化方案具體接線形式如圖2所示，圖中避雷器MOA根據過電壓計算結果確定是否安裝。

圖2 限流串抗站接線(采用可拆卸導線)

根據調研情況(見表1)，在國內已建或在建的8座500 kV串抗站中，有6座串抗站為緊鄰變電站布置方式，其接線形式均采用方案1所示常規接線方案。有2座為布置于線路中部的獨立串抗站，其接線形式有1座采用常規接線方案，另有1座采用簡化接線方案。

表1 已建串抗站接線形式調研情況

技術上，兩接線方案均設有旁路回路，在線路停電后，均可以實現串聯電抗器接入線路運行和串聯電抗器不接入線路運行的運行方式切換。

常規接線方案設置有隔離開關，運行方式的切換可通過操作隔離開關實現，切換更為便捷。但根據運行規程，若站內裝設隔離開關等設備，需將隔離開關監控信號上傳至調度。因此，常規接線方案需配置隔離開關監控設備及遠動通信設備。而根據DL/T 5155—2016《220 kV ～1000 kV變電站站用電設計技術規程》的規定，隔離開關監控設備及遠動通信設備需要配置交直流站用電系統，并需要雙電源供電，最終導致串抗站的站用電系統需按500 kV變電站的原則進行配置，設置2回外接電源。不僅如此，監控、通信設備及站用電系統需要設置電氣設備間，進而增加建筑相關的消防設施等。對緊鄰變電站布置的串抗站而言，上述監控、通信、站用電及消防系統均可共用變電站內相關已建設施，投資增加不多。但對獨立布置的串抗站來說，上述一系列技術要求會導致串抗站的設計方案臃腫復雜，投資增大。

簡化接線方案取消隔離開關，運行方式的切換通過改接跳線實現。由于取消隔離開關，站內不需配置電氣設備的監控系統，站內二次部分僅需配置視頻及安全警衛系統即可。視頻信號不需上傳調度，因此可采用無線專網方式傳至就近變電站，站內不需設置遠動通信設備。由于取消了設備監控及遠動通信系統，站用電接線也可進一步簡化，僅需采用單回外接電源。視頻及安全警衛系統、單回外接電源可室外布置，又可以取消電氣設備間及消防設施。簡化接線方案接線簡單，投資少，正常使用時運維工作量小。但簡化接線方案切換運行方式需改接站內設備連線，工作量大，用時長。當系統運行方式需要串聯電抗器較為頻繁地投退時，該方案是不適合的。例如，在某些短路電流不超標的運行方式下，將串聯電抗器退出運行以減小線損，在某些短路電流存在超標風險的運行方式下，再將串聯電抗器接入線路運行。此時，串聯電抗器要面臨較頻繁地投切，采用簡化接線方式顯然是不合適的。

因此，線路中部的500 kV獨立串抗站的接線形式不僅需要充分考慮各種邊界條件，也需與運行、調度等部門密切協商，最終確定接線方案。尖彭串抗站經網省公司各部門充分討論，確認串抗正常運行時不考慮切換運行方式，僅需保留串聯電抗器設備故障時進行運行方式切換的可行性。根據調研，500 kV串聯電抗器設備故障率極低，因此可認為本工程切換運行方式頻次極低，可考慮采用簡化接線方案。

對于獨立串抗站而言，簡化接線方案可有效地簡化二次系統、站用電系統、建筑及消防系統，并減少檢修和運行維護工作量。若運行方式允許，獨立串抗站建議采用簡化接線方案。

3 串抗站的設備選型及電氣布置

3.1 串聯電抗器

500 kV串聯限流電抗器一般采用干式空芯電抗器。干式空芯電抗器具有較大的電感線性范圍，阻抗值比較穩定，更適宜作為限流電抗器使用。油浸式電抗器在系統短路時，鐵芯容易達到鐵磁飽和，導致阻抗值有較大波動，一般不宜作為限流電抗器使用。

除上述特點外，干式空芯電抗器還具有噪聲較低、無火災危險、絕緣接地簡單、能量反向(逆轉)時無嚴重的電(介質)應力、對瞬時過電壓的反應較小、重量輕、運輸使用方便、投資和維護費用低等特點。因此，尖彭串抗站工程采用干式空芯電抗器，電抗器額定阻抗為28 Ω，額定電流為4 kA。因阻抗值較大，需采用2臺14 Ω、4 kA電抗器串聯實現。

3.2 過電壓和絕緣配合

在線路中部安裝串聯電抗器后，對于電網運行以及電氣設備將產生一些新的要求。特別是線路兩端斷路器在開斷短路電流時，其斷口瞬態恢復電壓可能會超過斷口絕緣恢復強度，從而使斷路器不能正常開斷短路電流，造成事故擴大化。因此串抗站必須校驗兩端斷路器的瞬態恢復電壓是否滿足，確定是否需要采取防護措施來限制斷路器瞬態恢復電壓[3]。

經計算，尖彭串抗站需串聯電抗器兩端并聯耦合電容用以限制瞬態恢復電壓幅值及陡度。采取上述措施后,兩端變電站斷路器瞬態恢復電壓滿足相關標準要求。串抗站設計時，另需計算串聯電抗器端對端的過電壓幅值，以確定串聯電抗器兩端是否需要并聯避雷器。經計算，尖彭串抗站無需在串聯電抗器兩端并聯避雷器。

綜上，尖彭串抗站僅需在串抗站兩側出線處配置線路避雷器。

3.3 配電裝置型式與布置

獨立串抗站配電裝置一般采用敞開式常規中型布置，全站共設兩排構架，一排為進線構架，另一排為出線構架，如圖3所示。兩排構架間布置串聯電抗器及可拆卸導線，旁路回路采用架空方式布置于串聯電抗器上方。出線構架寬度根據串聯電抗器的布置方案確定，出線構架高度按26 m設計，如圖4所示。站內需設計站前區，站前區布置有警衛室、串抗站備用相備品間。

圖3 串抗站電氣平面布置

圖4 串抗站電氣斷面布置

尖彭串抗站每相串聯電抗器采用2臺干式空芯電抗器串聯而成，全站兩回出線共安裝12臺干式空芯電抗器。考慮防磁范圍，每相2臺串聯的電抗器間距按12.5 m設計。因尖彭串抗站需裝設500 kV耦合電容器，為確保耦合電容器在相鄰的4臺串聯電抗器防磁范圍線之外，串聯電抗器相間距離需按15 m設計。

串聯電抗器及耦合電容器均采用低位布置。串聯電抗器四周設置玻璃鋼圍欄，避免人員靠近。為方便檢修，串聯電抗器四周設置環形道路，串聯電抗器與出線構架間采用支柱絕緣子支撐管母線跨越環形道路，出線避雷器布置于構架下方。線路與出線避雷器采用軟導線引下連接，該處導線為可拆卸導線，后期若需變更運行方式，可將該引下線改接至上層跨線處。

需要特別說明的是，根據調研情況，500 kV串聯電抗器的漏磁比較嚴重。因此，串抗站的設計細節上必須考慮串聯電抗器漏磁的影響。如串聯電抗器設備應設置圍欄阻隔，且圍欄應設置在串聯電抗器設備的MC2防磁范圍線外，避免人員進入MC2防磁范圍后產生不適感；又如串聯電抗器設備間連線應盡量采用沒有鐵芯的鋁管母線，以避免導線發熱；在必須采用軟導線的地方，也應盡量采用多分裂的純鋁絞線。

3.4 站用電

采取簡化接線后，獨立串抗站正常運行時站用電負荷較小，最大用電負荷僅為幾千瓦。但站內須考慮檢修用負荷，因此獨立串抗站站用變壓器容量宜設為100 kVA。

采取簡化接線后，串抗站內僅有部分視頻監控、照明及檢修負荷。這些負荷即使長時間停電也不影響串抗站的正常運行，因此采用簡化接線的獨立串抗站站用電源可采用1回外接電源進行供電。

3.5 接地

采取簡化接線后的500 kV獨立串抗站接地方案與常規串抗站也有較大不同。采用簡化接線后，站內沒有重要的二次及通信設備，僅需滿足站內人員安全即可。也就是說，采用簡化接線后的500 kV獨立串抗站接地主要是滿足接觸電勢和跨步電勢要求，對串抗站的目標接地電阻值的要求可適當降低。

干式空芯電抗器漏磁較嚴重，根據調研，已建串抗站多有地網發熱的情況發生。因此，串抗站主地網建議采用非鐵磁性的扁銅作為主網接地材料。

4 結 論

布置于線路中部的500 kV獨立串抗站與緊鄰變電站布置的串抗站相比，面臨監控信號遠傳難度大、需設置獨立站用輔助系統、設備運行維護困難等難題。如果按照常規500 kV串抗站的原則去設計，不但投資增加較大，后期運行維護工作量也會隨之增大。若在確保主要功能的前提下，將串聯電抗器視為線路的一部分，則可盡量簡化接線型式及設計方案，可以大幅節省投資并減輕后期運維難度。