樊國(guó)偉，樊國(guó)旗，霍 超，孔繁宇，劉乃杰，何業(yè)飛，宋朋飛，魏朝陽(yáng)，陳偉杰

(1.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司，新疆 烏魯木齊 830002；2.國(guó)網(wǎng)金華供電公司，浙江 金華 321001；3.國(guó)家電網(wǎng)公司西北分部，陜西 西安 710048；4.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京211100)

0 引言

新疆東部地區(qū)風(fēng)、光和煤炭資源豐富，建設(shè)了千萬(wàn)千瓦級(jí)新能源基地〔1〕，為解決新能源出力波動(dòng)性帶來(lái)的調(diào)峰問(wèn)題、新能源機(jī)組無(wú)功支撐能力不足問(wèn)題及新能源轉(zhuǎn)動(dòng)慣量支撐不足問(wèn)題〔2-4〕，同時(shí)減少煤炭運(yùn)輸成本，火電機(jī)組在此地區(qū)密集接入。能源場(chǎng)站密集接入會(huì)導(dǎo)致短路電流嚴(yán)重超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，以五彩灣地區(qū)變電站為例，該主變單相短路電流達(dá)到63.9 kA，相對(duì)750 kV斷路器遮斷電流50 kA嚴(yán)重超標(biāo)，成為限制該地區(qū)新機(jī)組接入的首要因素。

目前，主要通過(guò)變壓器中性點(diǎn)加裝小抗、加裝新型限流設(shè)備和優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行方式限制短路電流〔5-6〕。在實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行中，高壓電網(wǎng)系統(tǒng)采取合環(huán)運(yùn)行，低壓電網(wǎng)系統(tǒng)采取解環(huán)方式，實(shí)現(xiàn)降低短路電流目的，但是會(huì)降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。從而導(dǎo)致系統(tǒng)接納新能源容量降低。文獻(xiàn)〔7〕提出一種電網(wǎng)故障時(shí)利用快速開(kāi)關(guān)隔離故障電流，改變電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方法，通過(guò)快速開(kāi)關(guān)和常規(guī)斷路器時(shí)序配合，實(shí)現(xiàn)柔性開(kāi)斷故障電流。文獻(xiàn)〔8〕表明在銀川東站安裝大容量快速開(kāi)關(guān)后，能夠?qū)⒍搪冯娏鹘档图s55 %，相比采取主變熱備用狀態(tài)運(yùn)行，提升3倍短路電流抑制效果。文獻(xiàn)〔9〕設(shè)計(jì)出主支路和轉(zhuǎn)移支路的混合直流斷路器，利用轉(zhuǎn)移支路轉(zhuǎn)移部分短路電流，從而降低主支路短路電流。文獻(xiàn)〔10〕提出快速開(kāi)關(guān)容量?jī)?yōu)化配置方法，降低電網(wǎng)規(guī)劃運(yùn)行成本。

針對(duì)電源密集接入電網(wǎng)地區(qū)短路電流超標(biāo)問(wèn)題，本文通過(guò)快速開(kāi)關(guān)和中性點(diǎn)串小抗抑制短路電流方法，驗(yàn)證抑制短路電流方法有效性，并針對(duì)快速開(kāi)關(guān)和中性點(diǎn)串小抗特點(diǎn)提出應(yīng)用場(chǎng)景，提出實(shí)際電網(wǎng)抑制短路電流建議。

1 快速開(kāi)關(guān)抑制短路電流原理

快速開(kāi)關(guān)開(kāi)斷時(shí)間為20 ms,常規(guī)斷路器開(kāi)關(guān)開(kāi)斷時(shí)間為50 ms，利用快速開(kāi)關(guān)快速開(kāi)斷時(shí)間特性，正常時(shí)開(kāi)關(guān)K為合閘狀態(tài)，故障時(shí)快速開(kāi)關(guān)快速分閘。

快速開(kāi)關(guān)限制短路電流分為兩類，方式一母線法：正常時(shí)快速開(kāi)關(guān)合閘狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)合環(huán)運(yùn)行，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性；故障時(shí)快速開(kāi)關(guān)分閘，實(shí)現(xiàn)母線分列運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)母線L1和L2之間短路電流疊加相互隔離的目的，降低短路電流。對(duì)應(yīng)電網(wǎng)接線如圖1所示，快速開(kāi)關(guān)原理圖如圖2所示。

圖1 方式一母線法接線圖

圖2 快速開(kāi)關(guān)原理圖

方式二支路法：選取線路LL1安裝快速開(kāi)關(guān)，正常時(shí)，快速開(kāi)關(guān)K合閘狀態(tài)，此時(shí)限流電抗器L被短路；故障時(shí)，快速開(kāi)關(guān)K分閘，限流電抗器L投入，實(shí)現(xiàn)限流目的，減少線路LL1短路電流，快速開(kāi)關(guān)限抗器原理圖如圖3所示，對(duì)應(yīng)電網(wǎng)接線如圖4所示，快速開(kāi)關(guān)限抗器限制短路電流如式(1)所示。

圖3 快速開(kāi)關(guān)限抗器原理圖

圖4 方式二支路接線圖

(1)

式中：U為短路故障點(diǎn)電壓；X為快速開(kāi)關(guān)投入前電抗；XL為快速開(kāi)關(guān)電抗。

快速開(kāi)關(guān)成本較高，以新疆某聯(lián)網(wǎng)工程為例，投資成本約1 500萬(wàn)元；方式一雖然能提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，但圖1中線路L1所有支路故障，均會(huì)導(dǎo)致快速開(kāi)關(guān)動(dòng)作，動(dòng)作次數(shù)較多，會(huì)降低快速開(kāi)關(guān)壽命。方式二支路法可以針對(duì)線路LL1故障快速開(kāi)關(guān)動(dòng)作，動(dòng)作次數(shù)較少，在該聯(lián)網(wǎng)工程中采用方式二支路法。

2 中性點(diǎn)加裝小抗限制短路電流原理

中性點(diǎn)加裝小抗對(duì)接地短路系統(tǒng)有限制短路電流效果，因此三相短路、兩相短路電流沒(méi)有影響〔11〕，但是三相電流較大因此需要分析；而單相接地短路電流大于兩地接地短路，因此本文只分析單相接地短路和三相短路電流。

將單相短路接地的三組不對(duì)稱分量分解為三組對(duì)稱分量，正序分量、負(fù)序分量和零序分量分別如圖5(x)、(y)和(z)所示。

圖5 對(duì)稱分量表示

(2)

中性點(diǎn)串小抗變電站造價(jià)單價(jià)約40萬(wàn)，但零序電流和零序電抗會(huì)發(fā)生變化，因此需要更改保護(hù)定值；中性點(diǎn)串小抗檢修或其他狀況退出時(shí)，需要更改保護(hù)定值較多，運(yùn)行要求復(fù)雜；此外可能會(huì)涉及多個(gè)變電站改造，造價(jià)成本提升，且會(huì)改變阻抗分布，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行方式造成較大影響。

3 抑制短路電流效果分析

3.1 中性點(diǎn)串小抗抑制短路電流效果

五彩灣地區(qū)變電站在規(guī)劃網(wǎng)架下存在短路電流超標(biāo)問(wèn)題，為限制短路電流，將新建彩北站達(dá)到改變電網(wǎng)接線方式目的，彩北站新建后同樣存在短路電流超標(biāo)問(wèn)題，由于該地區(qū)主要為單相短路電流超標(biāo)問(wèn)題，因此采用中性點(diǎn)串小抗抑制短路電流方法。

3.1.1 規(guī)劃網(wǎng)架下短路電流抑制分析

目前五彩灣地區(qū)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖6所示，準(zhǔn)東直流配套電廠20臺(tái)機(jī)(20×660 MW)均投運(yùn)的情況下，中性點(diǎn)加裝小電抗后，三相短路電流不變，其中五彩灣750 kV、五彩灣220 kV、彩虹220 kV和彩霞220 kV三相短路電流分別為48.6 kA、65.8 kA、61.1 kA和47.6 kA。

圖6 準(zhǔn)東直流配套投運(yùn)后的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

單相接地短路電流如圖7所示；短路電流邊際抑制效果如圖8所示，五彩灣750 kV采用右次坐標(biāo)軸。

圖7 單相接地短路電流

從圖7可知，中性點(diǎn)加裝小抗后， 220 kV變電站相比750 kV變電站單相短路電流抑制效果明顯。短路電流超標(biāo)為五彩灣220 kV變電站，串5 Ω小抗后單相接地短路電流小于三相短路電流。

從圖8可知，單相接地短路電流邊際抑制效果隨中性點(diǎn)加裝小抗阻值變大而逐漸降低。

五彩灣220 kV變電站單相接地短路電流最大，加裝11 Ω、12 Ω和15 Ω小抗后，短路電流分別為59.4 kA、58.9 kA、58.2 kA，可以單相接地短路電流限制在60 KA以內(nèi)的目的。裕度分析：中性加裝12 Ω小抗后，每增加一臺(tái)220 kV接入的35萬(wàn)機(jī)組，五彩灣220 kV單相接地短路電流約增加0.5 kA，故可以接入約7臺(tái)35萬(wàn)機(jī)組；每增加一臺(tái)750 kV接入的66萬(wàn)的機(jī)組，五彩灣220 kV母線單相接地短路電流僅增加0.05 kA，影響比較小。

3.1.2 新建彩北站改接后短路電流抑制分析

從220 kV石錢灘出雙回線路(約70公里)至彩虹變北側(cè)區(qū)域新建220 kV彩北變，將神火、其亞共8臺(tái)機(jī)組改接至彩北變，同時(shí)220 kV虹喀木線開(kāi)口接入彩北變(正常方式彩虹至彩北單回線路斷開(kāi))，如圖9所示：

圖9 五彩灣地區(qū)地理接線圖

新建220 kV彩北站情況下，中性點(diǎn)加裝小電抗后，三相短路電流不變化，其中五彩灣750 kV、五彩灣220 kV、彩虹220 kV和彩霞220 kV三相短路電流分別為47 kA、59.3 kA、46.1 kA和45.1 kA。

單相接地短路電流如圖10所示。

圖10 單相接地短路電流

從圖10可知，新建220 kV彩北站后：

(1)三相短路電流均有所降低，其中五彩灣750 kV、五彩灣220 kV、彩虹220 kV和彩霞220 kV三相短路電流降低1.6 kA、6.5 kA、14.4 kA和2.5 kA。

(2)單相接地短路電流降低，分別降低2.8 kA、1.3 kA、2.4 kA、0.6 kA，但五彩灣220 kV單相接地短路電流仍然超標(biāo)。

(3)中性點(diǎn)加裝阻值10 Ω小抗時(shí)單相接地短路電流為59.1 kA，可以控制在60 kA以內(nèi)，考慮限制短路電流效果和裕度，建議加裝12 Ω小抗。

3.2 快速開(kāi)關(guān)短路電流抑制分析

某有源電網(wǎng)通過(guò)某變電站與新疆主網(wǎng)相連，規(guī)劃網(wǎng)架簡(jiǎn)約圖如圖11所示。由于該地區(qū)電網(wǎng)主要存在三相短路問(wèn)題，因此采用快速開(kāi)關(guān)抑制短路電流方法。

圖11 五彩灣地區(qū)地理接線圖

經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)僅220 kV鳳凰變?nèi)喽搪饭收蠒r(shí)短路電流超標(biāo)，該220 kV變電站發(fā)生三相短路故障時(shí)對(duì)主網(wǎng)750 kV變電站在正常運(yùn)行和檢修方式下產(chǎn)生分支電流為5.03 kA和4.82 kA，因此將快速開(kāi)關(guān)動(dòng)作定值設(shè)置為一個(gè)區(qū)間，如設(shè)置為4.8 kA～5.2 kA，僅在故障電流在此范圍內(nèi)的時(shí)候動(dòng)作，可極大程度降低快速開(kāi)關(guān)誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

某有源電網(wǎng)與變電站雙回線投運(yùn)過(guò)程中將出現(xiàn)單回路和雙回路，其串10 Ω限抗電抗器前后的短路電流對(duì)比如圖12所示。

圖12 短路電流對(duì)比

由圖12可知，雙回路無(wú)串抗短路電流為49.9 kA，考慮到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化存在短路電流超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，串抗10 Ω后，短路電流降至47.8 kA，滿足穩(wěn)定運(yùn)行要求。

4 結(jié)論

(1)單相接地電流超標(biāo)嚴(yán)重時(shí)，主要采用中性點(diǎn)串小抗限制短路電流方法，該方法隨著中性點(diǎn)小電抗阻值增大，單相接地短路電流限制邊際效果逐漸降低；中性點(diǎn)串小抗方法雖然造價(jià)成本較低，但是會(huì)對(duì)零序電流和零序阻抗產(chǎn)生影響，對(duì)保護(hù)定值影響較大。

(2)針對(duì)某有源電網(wǎng)與主網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)工程中出現(xiàn)的三相短路電流超標(biāo)問(wèn)題，采用快速開(kāi)關(guān)限抗器限制短路電流的方法，可以有效抑制短路電流超標(biāo)問(wèn)題；采用分支線路接線抑制的方式，可以降低快速開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)，延長(zhǎng)快速開(kāi)關(guān)壽命，減少快速開(kāi)關(guān)成本造價(jià)過(guò)高的影響。