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        基于PSCAD的220k V主變110k V側(cè)單相短路時中性點接地方式分析

        2013-08-22 01:35:06楊亞奇袁欽鵬
        科技視界 2013年23期
        關(guān)鍵詞:變電站故障

        楊亞奇 袁欽鵬

        (山東科技大學,山東 青島 266590)

        220kV變電站在我國電力系統(tǒng)中占有重要地位,其主變能否安全運行直接影響到整個電網(wǎng)的穩(wěn)定。我國110kV及220kV系統(tǒng)普遍采用變壓器中性點直接接地、部分變壓器中性點不接地的方式,這對于系統(tǒng)穩(wěn)定運行起到了良好效果。但是,隨著系統(tǒng)容量的不斷增大,當系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生接地短路故障時,變壓器承受的短路電流沖擊也很嚴重,時常發(fā)生燒毀事故。目前,單相短路故障占到系統(tǒng)總故障的80%以上,而且單相短路往往大于三相短路時的短路電流[1]。因此為了更好的保護主變,我們十分有必要對主變中性點接地方式進行科學的仿真分析,并給出合理最優(yōu)的接地方案。本文對220kV主變中性點接地方式進行了詳細分析,提出了計算單相短路故障電流的簡化計算方法,并對某地區(qū)110kV系統(tǒng)進行了故障仿真,進而給出最優(yōu)接地方案。

        1 220kV變電站主變中性點接地方式分析

        220kV變電站中,主變運行方式多為2臺接線方式為YNynd11的主變并列運行。其中性點接地方式有以下4種:

        1)1臺主變(下文中以1#主變代替)220、110kV側(cè)中性點都接地,另一臺主變(下文中以2#主變代替)220、110kV側(cè)都不接地。

        2)1#主變 220、110kV側(cè)中性點都接地,2#主變 220kV側(cè)不接地,110kV側(cè)接地。

        3)1#主變220、110kV側(cè)中性點都接地,2#主變220kV側(cè)接地,110kV側(cè)不接地。

        4)1#和2#主變的220、110kV側(cè)中性點都接地[2]。

        圖1 方式1~4的變電站正序和負序等值電抗圖

        選擇在220kV主變110kV側(cè)母線出口發(fā)生單相接地短路故障,方式1~4的變電站正序等值電抗圖和負序等值電抗圖如圖1[3]。由于方式1中2#主變高、中壓側(cè)中性點均不接地,因此零序等值電抗圖僅有1#主變部分;方式3中2#主變中壓側(cè)不接地,因此零序電流無法由故障點向高壓側(cè)流通,因此零序等值電抗圖中也僅有1#主變部分,方式1、3的零序等值電抗圖相同。方式2中1#主變高中壓側(cè)均接地,2#主變僅中壓側(cè)接地,對2#主變來說,故障點和中壓側(cè)接地點間可構(gòu)成零序電流通路。方式4的零序等值電抗圖為兩臺主變并聯(lián)形式。

        圖 1 中 Xh(1)為 220kV 側(cè)線路正序電抗;X1h(1)、X1m(1)和 X1l(1)分別為1# 主變高壓側(cè)、中壓測和低壓側(cè)正序電抗;X2h(1)、X2m(1)和 X2l(1)分別為2#主變高壓側(cè)、中壓測和低壓側(cè)正序電抗;Xl(1)為110kV側(cè)線路正序電抗。

        2 四種接地方式下短路電流的簡要手工計算方法

        在用PSCAD對電網(wǎng)進行單相接地短路故障仿真的同時,需要對短路電流進行手工計算,并通過將仿真值與手工計算值比對來檢驗仿真模型是否正確。在查閱了許多文獻后發(fā)現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)單相短路電流計算方法的介紹比較復雜,沒有一種簡單且誤差相對較小的計算方法,因此本文詳細介紹了一種簡要計算方法,并且通過將計算值與仿真值做比對來證明此簡要計算方法的準確性。

        2.1 針對方式1的短路電流計算

        當220kV變電站內(nèi)兩臺并聯(lián)的主變運行于方式1時(設1#主變中性點接地),主變110kV側(cè)發(fā)生單相接地短路,設故障相為A相。在手工計算時,我們采用簡化算法計算各序等值電抗,由于正、負序等值電抗值取決于220kV線路電抗和變壓器高、中壓繞組等值電抗,故忽略變壓器低壓繞組等值電抗和110kV線路電抗。為簡化計算,可分別將兩臺主變的高、中壓繞組等值電抗并聯(lián),然后將兩部分串聯(lián),則可得到圖1簡化后的正序網(wǎng)絡圖,如圖2,從而可計算正序等值電抗Xff(1)(下文圖和公式中,凡未標注為有名值的均為標幺值)。

        圖2 方式1下簡化正序網(wǎng)絡圖

        負序等值電抗 Xff(2)=Xff(2)。 在零序網(wǎng)絡中,零序電流必須經(jīng)過大地才能構(gòu)成通路,而且電流的流通與變壓器中性點接地方式及變壓器接法有密切關(guān)系,故不能省略變壓器低壓繞組等值電抗。簡化零序網(wǎng)絡圖如圖3。

        圖3 方式1下簡化零序網(wǎng)絡圖

        表1 方式1下并聯(lián)主變短路電流分配表

        則單相接地短路電流為[3]:

        其中U為短路故障前故障相的電壓標幺值,認為U=1。此處求得的短路電流標幺值If為流經(jīng)并聯(lián)主變220kV側(cè)短路電流之和,由于理想變壓器高、中壓側(cè)功率關(guān)系為:

        故流經(jīng)并聯(lián)主變中壓測故障電流為高壓側(cè)的兩倍,則流經(jīng)故障點短路電流近似有名值為:

        其中SB為基準容量,VB為基準電壓。

        因為單相短路時短路電流各序分量相同,即 If(1)=If(2)=If(0),對于參數(shù)相同的兩臺并聯(lián)主變而言,單相短路電流各序分量的分配情況如表1。

        因此流經(jīng)接地主變110kV側(cè)短路電流為不接地主變的兩倍,即:

        2.2 其他三種接地方式下短路電流簡化計算方法

        圖4 方式2下簡化零序網(wǎng)絡圖

        方式3與方式1的計算方法相同;方式4與方式1的不同之處為零序網(wǎng)絡中 XT1(0)、XT2(0)、XT0(0)均為兩臺主變并聯(lián)值; 方式 2 零序網(wǎng)絡圖如圖4。

        零序等值電抗為:

        3 某地區(qū)110kV系統(tǒng)單相接地仿真與計算

        圖5 某地區(qū)電網(wǎng)一次系統(tǒng)圖

        圖6 某地區(qū)電網(wǎng)PSCAD模型圖

        某地區(qū)110kV系統(tǒng)是一個以220kV變電站為電源中心,呈輻射狀向各個110kV變電站供電的網(wǎng)絡,方式1下一次系統(tǒng)圖如圖5,PSCAD建模如圖6。方式2~4僅改變2#主變中性點接地方式,為節(jié)省篇幅不再畫出。

        在圖6中令220kV變電站110kV側(cè)發(fā)生單相接地短路,分別對故障點和兩臺220kV主變110kV側(cè)出線故障電流在4種接地方式下仿真。為節(jié)省篇幅,下面只給出方式1和方式2的仿真波形,如圖 7~12。

        用第二節(jié)中的手工計算方法計算4種方式下的故障電流,并將計算結(jié)果與PSCAD仿真結(jié)果作對比,如表2所示。

        通過對比手工計算和仿真值可以發(fā)現(xiàn),運用上文介紹的簡化計算方法所得結(jié)果與仿真結(jié)果誤差均在5%以內(nèi),因此可以滿足計算精確度的要求。

        分析以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),220kV主變110kV側(cè)發(fā)生單相接地短路時,當采用方式1和方式3時流過1#主變的故障電流最大,不利于保護主變;采用方式4時流過故障點短路電流雖然最大,但是流過兩臺主變的故障電流較平均,1#主變故障電流為4種方式最小值,有利于保護主變,但是方式4在現(xiàn)實中很少采用;方式2增加了一個110kV側(cè)接地點,并上一條零序電流通路后總故障電流雖然有所增加,但是流過1#主變的故障電流減小,故方式2的效果介于方式1和4之間。因此,主變四種接地方式中方式2最有利于保護主變。

        圖7 方式1下故障點電流

        圖8 方式1下1#主變電流

        圖9 方式1下2#主變電流

        圖10 方式2下故障點電流

        圖11 方式2下1#主變電流

        圖12 方式2下2#主變電流

        表2 短路電流計算值與仿真值比對

        4 結(jié)論

        220kV變電站中主變中性點接地方式直接影響著電網(wǎng)的安全運行。本文分析了220kV變電站主變中性點四種接地方式以及110kV側(cè)發(fā)生單相接地短路故障時短路電流的簡化計算方法,并用PSCAD對某地區(qū)110kV系統(tǒng)進行了相應的仿真。通過對比仿真值與計算值,方式2增加一臺主變110kV側(cè)中性點接地的方案最有利于保護主變,降低了故障電流對主變的沖擊,減小了發(fā)生單相接地短路故障時主變燒毀的可能性。

        [1]黃方能.220kV變電站主變110kV側(cè)接地方式分析[J].高電壓技術(shù),2007,12(33):73-73.

        [2]舒思維.220kV 變電站主變中性點接地方式分析[J].技術(shù)與市場,2012,4(19):157-158.

        [3]何仰贊,溫增銀.電力系統(tǒng)分析[M].華中科技大學出版社,2002:202-204.

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