自耦變壓器中性點小電抗對短路電流及變壓器保護定值的影響

摘 要：【目的】為評估500 kV自耦變壓器中性點加裝小電抗器對零序等值網絡、等值阻抗回路及變壓器保護定值的影響。【方法】分析此措施對500 kV側、220 kV側單相接地短路電流的影響，以實際工程為例，計算加裝不同阻值電抗值的效果。【結果】經分析可知，500 kV自耦變壓器中性點加裝小電抗器后，對220 kV側、500 kV側單相短路電流均有一定的限制效果，220 kV側效果更明顯，電抗值增加到一定值后，限制效果趨于飽和，并得到最優阻抗值。【結論】研究加裝不同中性點小電抗對短路電流及變壓器保護定值的影響，對提升電網可靠運行具有重要意義。

關鍵詞：自耦變壓器；中性點小電抗；短路電流；零序網絡；零序后備保護

中圖分類號：TM711" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2023）13-0017-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.13.003

Influence of Small Neutral Reactance of Autotransformer on Short-Circuit Current and Transformer Protection Setting

TIAN Baojiang GUO Pei LIU Yao

（1.Stated Grid Henan Power Grid Company，Zhengzhou 450000，China;2.Stated Grid Henan Electric Power Research Instiute，Zhengzhou 450000，China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to evaluate the influence of installing small reactor at the neutral point of 500 kV autotransformer on zero sequence equivalent network， equivalent impedance circuit and transformer protection setting value. [Methods] The influence of this measure on the single-phase grounding short-circuit current of 500 kV side and 220 kV side is analyzed. Taking the actual project as an example， the effect of adding different resistance reactance values is calculated. [Findings] The analysis shows that after adding a small reactor to the neutral point of the 500 kV autotransformer， the single-phase short-circuit current on the 220 kV side and the 500 kV side has a certain limiting effect. The effect on the 220 kV side is more obvious. When the reactance value increases to a certain value， the limiting effect tends to be saturated， and the optimal impedance value is obtained. [Conclusions] It is of great significance to study the influence of small reactance with different neutral points on short-circuit current and transformer protection setting value， so as to improve the reliable operation of power grid.

Keywords：autotransformer;small neutral reactance;short-circuit current;zero-sequence network;zero-sequence protection

0 引言

自耦變壓器是指一、二次繞組直接串聯，自行耦合的變壓器，其一、二次繞組有較大部分是共用的，只有較小部分流過共用繞組部分。相比于同容量的普通變壓器，自耦變壓器具有結構簡單、體積小、質量輕、效率高和價格低等優點，特別適用于大功率變壓器，在500 kV及以上電力系統中得到廣泛應用。但因自耦變壓器一、二次繞組在電氣上是直接相連的，一、二次繞組間的零序電流和過電壓無法相互隔離。當一次側發生單相接地故障時，中性點電位會發生偏移，產生對地電位，引起中壓側各相電壓升高，可能危及設備安全運行。因此，自耦變壓器中性點通常直接接地運行，而這一運行方式會使零序電抗下降［1］。目前，河南電網500 kV及以上變壓器均采用自耦變壓器，自2013年以來，隨著河南電網規模日益擴大，500 kV及以上變電站數量由原來的26座增加至50座，增加了近一倍，變電站更加密集，使得線路阻抗變小；500 kV及以上主變數量由53臺增加至103臺，使得系統零序等值電抗明顯下降，出現單相短路電流大于三相短路電流的現象[2]，部分500 kV變電站的220 kV側單相短路電流超過50 kA，接近設備額定遮斷容量。為限制單相接地短路電流，有必要在部分500 kV變電站的自耦變壓器中性點加裝小電抗器。

1 加裝中性點小電抗的自耦變零序等值網絡

2 加裝中性點小電抗對故障電流的影響

2.1 對不同電壓等級短路時等效電路阻抗的分析

2.2 短路電流的對比

2.3 對不同電壓等級短路故障的仿真計算

根據2020年電網結構，河南省部分500 kV變電站的單相短路電流超過三相短路電流。以比較典型的500 kV甲、乙站為例，500 kV側、220 kV側母線發生單相接地故障、三相短路故障短路時的電流計算值見表1。

對兩站的其中一臺500 kV變壓器中性點串接不同阻值小電抗后的單相接地故障短路進行計算。500 kV側、220 kV側母線仿真計算結果如圖5、6所示。

由圖5可知，甲、乙兩站加裝中性點電抗后，500 kV母線單相短路電流均出現一定下降，不同阻值間的區別較小。其中，甲站短路電流由32.34 kA下降至31.79 kA，下降了1.7%，乙站短路電流由46.58 kA下降至45.27 kA，下降了2.8%。這說明中性點加裝小抗對500 kV側單相接地故障有一定限制作用，但作用有限。

由圖6可知，甲、乙兩站加裝中性點電抗后，220 kV母線單相短路電流均出現較明顯的下降，電抗值由0 Ω增加至15 Ω時，甲、乙兩站短路電流均線性下降，電抗值超過15 Ω后，抑制效果隨著小電抗阻抗值的增大而衰減。阻抗值在0～15 Ω時，甲站短路電流由44.79 kA下降至36.18 kA，下降了19.2%，平均值為0.58 kA/Ω；乙站短路電流由51.71 kA下降至42.03 kA，下降了18.7%，平均值為0.65 kA/Ω。阻抗值在15～21 Ω時，甲站短路電流由36.18 kA下降至35.98 kA，平均值為0.2 kA/Ω；乙站短路電流由42.03 kA下降至41.68 kA，平均值為0.35 kA/Ω。在0～15 Ω時，隨著電抗阻值的增加，短路電流值下降。當超過15 Ω后，隨著電抗阻值的增加，短路電流值變化不大。因此，500 kV自耦變中性點電抗值宜選擇15 Ω。

3 對主變保護定值的影響

通過分析可知，零序等值網絡的變化主要影響主變保護零序電流后備保護的靈敏度，對主變差動保護、阻抗保護的選擇性和靈敏度基本無影響。自耦變壓器加裝中性點小電抗后，導致本站所有變壓器保護零序電流保護的靈敏度降低，對相鄰變電站的保護零序電流靈敏度的影響可以忽略。若本站有兩臺以上自耦變壓器高中壓側均并列運行，為控制單相短路電流，逐一加裝中性點小電抗，對零序電流保護靈敏度影響要分全部變壓器加裝和部分變壓器加裝兩種情況進行討論［9］。

3.1 全部變壓器加裝中性點小電抗

當全部變壓器加裝中性點小電抗后，對每臺變壓器的零序電流定值的影響均相同。高壓側故障后，高壓側零序電流幅值較未裝小電抗的變化稍小，對高壓側零序后備保護定值靈敏度的影響有限。經過精確計算發現，中壓側零序電流幅值將大幅減小，根據實際計算出的電流降低零序電流動作定值來確保有充足靈敏度。

3.2 部分變壓器加裝中性點小電抗

當部分變壓器加裝中性點小電抗后，對每臺變壓器的零序電流定值影響是不同的。經精確計算后發現，對高壓側零序后備保護定值靈敏度影響有限。

不同主變零序等值阻抗不同，經中性點小電抗接地的主變中壓側零序電流幅值將大幅減小，未加裝中性點小電抗接地的主變中壓側零序電流反而會小幅度增加，此時可不更改本站所有變壓器零序后備保護定值，解決靈敏度問題的主要措施是暫時不更改定值，這是因為未加裝中性點小電抗的變壓器零序后備保護靈敏度足夠，第一時限跳開母聯和分段開關后，主變中壓側（220 kV側）并列運行狀態結束，此時對加裝中性點小電抗的變壓器將出現兩種工況，一是與故障隔離，二是零序電流保護靈敏度將滿足，此時可正確動作。待全站所有變壓器后備保護均加裝中性點小電抗后，再按對不同電壓等級短路故障結局方法來統一調整零序電流保護定值。

4 結論

①500 kV自耦變中性點加裝小電抗對限制500 kV母線單相短路電流有一定作用，但效果不明顯；其可有效降低220 kV母線單相短路電流。

②隨著加裝小電抗值的增加，對220 kV母線單相短路電流限制效果趨于飽和。因此，建議選擇中性點小電抗阻值為15 Ω。

③主變加裝中性點小電抗后，對主變差動保護、距離保護的選擇性和靈敏度基本無影響，但會降低該變壓器保護零序電流保護的靈敏度，應根據實際來計算電流降低零序電流動作定值。

參考文獻：

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