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        220 kV變壓器中性點(diǎn)接地方式改造后相關(guān)設(shè)備的安全校核分析

        2022-11-03 05:32:32
        四川電力技術(shù) 2022年5期
        關(guān)鍵詞:方山電抗器中性點(diǎn)

        (四川瀘州川南發(fā)電有限責(zé)任公司, 四川 瀘州 646007)

        0 引 言

        隨著四川電網(wǎng)網(wǎng)架的變化,川內(nèi)部分變電站出現(xiàn)單相短路電流高于三相短路電流的現(xiàn)象,已成為限制電網(wǎng)運(yùn)行和發(fā)展的主導(dǎo)因素之一。經(jīng)研究表明,變壓器中性點(diǎn)采用小電抗器接地的方式來(lái)限制短路電流是非常有效和必要的[1—2]。

        方山電廠2×600 MW機(jī)組于2007—2008年投運(yùn),布置有2臺(tái)主變壓器和1臺(tái)啟動(dòng)備用變壓器。由于曾發(fā)生過(guò)電廠出線單相接地短路故障導(dǎo)致主變壓器損壞,為有效地限制電廠近區(qū)接地短路故障流經(jīng)主變壓器的短路電流,方山電廠于2014年在2臺(tái)主變壓器中性點(diǎn)分別增加了限流小電抗器。同時(shí)由于電廠處于特高壓直流輸電線路接地極附近,在復(fù)龍、賓金直流輸電線路不對(duì)稱方式運(yùn)行時(shí),給方山電廠主變壓器帶來(lái)了直流偏磁問(wèn)題。方山電廠通過(guò)多方調(diào)研和論證,于2014年在2臺(tái)主變壓器中性點(diǎn)增加了隔直裝置。隔直裝置采用一拖二的方式,通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)選擇其中1臺(tái)主變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電抗器和隔直裝置接地。啟動(dòng)備用變壓器中性點(diǎn)仍直接接地。

        當(dāng)前,隨著電網(wǎng)網(wǎng)架的不斷加強(qiáng),方山電廠近區(qū)發(fā)生非對(duì)稱故障時(shí),不接地主變壓器中性點(diǎn)放電擊穿間隙將存在被擊穿風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)500 kV瀘州變電站220 kV系統(tǒng)單相短路電流將超過(guò)斷路器遮斷容量。為消除方山電廠中性點(diǎn)不接地主變壓器中性點(diǎn)放電擊穿間隙被擊穿的風(fēng)險(xiǎn),以及降低500 kV瀘州變電站220 kV系統(tǒng)單相接地短路電流,需將電廠2臺(tái)主變壓器中性點(diǎn)接地方式進(jìn)行改造。即由1臺(tái)主變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電抗器和隔直裝置接地,另1臺(tái)主變壓器中性點(diǎn)經(jīng)間隙接地,調(diào)整成2臺(tái)主變壓器均經(jīng)過(guò)小電抗器和隔直裝置接地。

        主變壓器中性點(diǎn)接地方式改變后,電網(wǎng)零序阻抗特性發(fā)生變化,不對(duì)稱故障時(shí)可能導(dǎo)致暫態(tài)電壓過(guò)高引發(fā)設(shè)備損壞。為保證安全,需對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行仿真計(jì)算和安全校核。

        下面通過(guò)仿真計(jì)算分析,模擬方山電廠近區(qū)不同接地故障,分別得出方山電廠2臺(tái)主變壓器采用不同接地方式下,主變壓器中性點(diǎn)、接地小電抗器、隔直裝置處的暫態(tài)電壓和短路電流,以及通過(guò)對(duì)繼電保護(hù)的影響分析、諧振風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,為主變壓器中性點(diǎn)接地方式的改造提供依據(jù)。

        1 相關(guān)設(shè)備主要參數(shù)

        相關(guān)設(shè)備主要參數(shù)見(jiàn)表1—表3。主變壓器中性點(diǎn)加裝隔直裝置后接線如圖1所示。

        表1 主變壓器及啟動(dòng)備用變壓器參數(shù)

        表2 主變壓器中性點(diǎn)電抗器參數(shù)

        表3 主變壓器隔直裝置參數(shù)

        圖1 主變壓器中性點(diǎn)加裝小電抗器和隔直裝置簡(jiǎn)化接線

        2 不同接地方案下的電磁暫態(tài)分析

        2.1 短路電流計(jì)算

        2.1.1 方山電廠近區(qū)網(wǎng)架參數(shù)

        方山電廠2×600 MW機(jī)組為單元機(jī)組接線方式,經(jīng)3回220 kV線路接入500 kV瀘州變電站,線路長(zhǎng)約5.8 km(方山電廠近區(qū)電網(wǎng)拓?fù)湟?jiàn)圖2)。500 kV瀘州變電站主變壓器采用自耦變壓器。隨著系統(tǒng)的擴(kuò)大,接線間隔的不斷接入,以及500 kV瀘州東變電站的投運(yùn),500 kV瀘州變電站將面臨220 kV系統(tǒng)單相接地短路電流高于三相短路電流,且超過(guò)斷路器遮斷容量的現(xiàn)象。

        2.1.2 計(jì)算條件

        本次仿真計(jì)算基于2022年四川電網(wǎng)夏季最大運(yùn)行方式網(wǎng)架,全網(wǎng)全接線、全開(kāi)機(jī),退出四川500 kV和220 kV變電站低電容低電抗,不退出超/特高壓直流換流站高壓濾波器,保留線路高壓電抗器,退出母線高壓電抗器,利用PSASP7.60基本計(jì)算方法計(jì)算短路電流[3—4]。

        圖2 2022年方山近區(qū)電網(wǎng)拓?fù)鋱D

        2.1.3 計(jì)算結(jié)果

        在方案1(未加裝小電抗器,2臺(tái)主變壓器直接接地)、方案2(1號(hào)主變壓器加裝小電抗器和隔直裝置,2號(hào)主變壓器直接接地)、方案3(1號(hào)主變壓器加裝小電抗器和隔直裝置,2號(hào)主變壓器間隙接地)、方案4(2臺(tái)主變壓器均經(jīng)小電抗器和隔直裝置接地)的情況下,方山電廠主變壓器高壓側(cè)、500 kV瀘州變電站主變壓器中壓側(cè)三相短路電流及單相接地短路電流如表4、表5所示。

        表4 方山電廠近區(qū)三相短路計(jì)算結(jié)果單位:kA

        表5 方山電廠近區(qū)單相接地短路計(jì)算結(jié)果單位:kA

        表4表明主變壓器中性點(diǎn)接地方式對(duì)三相短路電流無(wú)影響。

        表5表明方案4(2臺(tái)主變壓器均經(jīng)小電抗器和隔直裝置接地)情況下,500 kV瀘州變電站主變壓器中壓側(cè)發(fā)生單相接地短路故障,短路電流水平為46.5 kA,滿足斷路器遮斷能力要求(斷路器遮斷能力50 kA)。

        2.2 電廠近區(qū)線路非對(duì)稱故障時(shí)主變壓器電磁暫態(tài)分析

        根據(jù)仿真計(jì)算,得知方山電廠主變壓器中性點(diǎn)最大電流9.78 kA,隔直電容最高電壓6.43 kV分別出現(xiàn)在方案3、方案4情況下方山電廠220 kV母線單相接地時(shí)(中性點(diǎn)電流見(jiàn)圖3、圖4;隔直電容電壓見(jiàn)圖5);主變壓器中性點(diǎn)最高電壓135.06 kV出現(xiàn)在方案3情況下500 kV瀘州變電站220 kV母線兩相接地短路故障時(shí)(見(jiàn)圖6、圖7)??紤]篇幅,電磁暫態(tài)分析只列舉不同方案下方山—瀘州220 kV線路兩端發(fā)生不對(duì)稱故障的計(jì)算數(shù)據(jù)。其中,暫態(tài)過(guò)電壓的計(jì)算考慮故障時(shí)刻和相位影響,取過(guò)電壓最大的方式為結(jié)果。

        圖3 方案3下方山電廠母線單相接地1號(hào)、2號(hào)主變壓器中性點(diǎn)電流

        圖4 方案4下方山電廠母線單相接地1號(hào)、2號(hào)主變壓器中性點(diǎn)電流

        圖5 方案4下方山電廠母線單相接地隔直電容電壓

        2.2.1 單相接地短路故障

        1)方山電廠220 kV母線單相接地短路故障

        設(shè)定t=3.0 s時(shí),方山電廠220 kV母線出現(xiàn)A相接地短路故障,不同方案下,分別得到方山電廠1號(hào)、2號(hào)主變壓器中性點(diǎn)電壓、電流及隔直電容電壓幅值如表6所示。

        圖6 方案3下瀘州變電站220 kV母線兩相接地1號(hào)、2號(hào)主變壓器中性點(diǎn)電壓

        圖7 方案4下瀘州變電站220 kV母線兩相接地1號(hào)、2號(hào)主變壓器中性點(diǎn)電壓

        表6 方山電廠220 kV母線單相接地短路

        2)500 kV瀘州變電站220 kV母線單相接地短路故障

        設(shè)定t=3.0 s時(shí),500 kV瀘州變電站220 kV母線出現(xiàn) A 相接地短路故障,不同方案下,分別得到方山電廠1號(hào)、2號(hào)主變壓器中性點(diǎn)電壓、電流及隔直電容電壓幅值如表7所示。

        2.2.2 兩相接地短路故障

        1)方山電廠220 kV母線兩相接地故障

        設(shè)定t=3.0 s時(shí),方山電廠220 kV母線出現(xiàn)A相和B相接地短路故障,不同方案下,分別得到方山電廠1號(hào)、2號(hào)主變壓器中性點(diǎn)電壓、電流及隔直電容電壓幅值如表8所示。

        2)500 kV瀘州變電站220 kV母線兩相接地短

        表7 500 kV瀘州變電站220 kV母線單相接地

        路故障設(shè)定t=3.0 s時(shí),500 kV瀘州變電站220 kV母線出現(xiàn)A相和B相接地短路故障,方案1、方案2、方案3、方案4情況下,分別得到方山電廠1號(hào)、2號(hào)主變壓器中性點(diǎn)電壓、電流及隔直電容電壓幅值如表9所示。

        表8 方山電廠220 kV母線兩相接地短路故障

        表9 500 kV瀘州變電站220 kV母線兩相接地

        方案4下,從表6可知故障時(shí)隔直裝置電容出現(xiàn)的電壓峰值為6.43 kV,該電壓遠(yuǎn)超過(guò)了晶閘管導(dǎo)通電壓,此時(shí)晶閘管會(huì)瞬間導(dǎo)通且電容旁路斷路器會(huì)閉合;由表9可知主變壓器中性點(diǎn)電壓峰值為103.64 kV,由表6可知電流峰值為9.14 kA,均低于表1給出的主變壓器中性點(diǎn)工頻絕緣水平200 kV,表2給出的小電抗器可承受的短時(shí)電流8 kA(有效值,10 s)以及表3給出的隔直裝置熱穩(wěn)定電流22 kA(1 s)。

        由此可得出方案4下,隔直電容出現(xiàn)的暫態(tài)電壓雖超過(guò)了電容額定電壓,但該電壓下晶閘管會(huì)瞬間導(dǎo)通,旁路斷路器會(huì)閉合,隔直裝置被旁路后可保障電容設(shè)備安全;主變壓器中性點(diǎn)出現(xiàn)的暫態(tài)電壓、電流峰值,小電抗器、隔直裝置出現(xiàn)電流峰值均在設(shè)備的額定參數(shù)范圍內(nèi),滿足設(shè)備的安全要求。

        3 對(duì)繼電保護(hù)的影響分析

        由于主變壓器中性點(diǎn)加裝小電抗器和隔直電容主要影響系統(tǒng)的零序網(wǎng)絡(luò),針對(duì)方山電廠主變壓器高壓側(cè)和500 kV瀘州變電站主變壓器中壓側(cè)單相短路電流和兩相接地短路電流進(jìn)行分析。

        目前方山電廠采用的方案3,1號(hào)主變壓器經(jīng)小電抗器(11.67 Ω)和隔直裝置(66 000 μF)接地,2號(hào)主變壓器不接地。若改為方案4,2臺(tái)主變壓器加電抗器(均為11.67 Ω)和1套隔直裝置(66 000 μF)接地,根據(jù)表10單相接地短路計(jì)算結(jié)果和表11兩相短路接地計(jì)算結(jié)果顯示,在方山電廠和500 kV瀘州變電站220 kV母線發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí),單相接地短路電流峰值會(huì)增加0.6 kA,兩相接地短路電流峰值會(huì)增加0.9 kA。

        表10 單相接地短路計(jì)算結(jié)果

        表11 兩相接地短路計(jì)算結(jié)果

        3.1 對(duì)線路保護(hù)的影響分析

        3.1.1 線路相間距離

        由于主變壓器中性點(diǎn)接地方式不影響三相短路和兩相短路的序網(wǎng)圖,因此主變壓器中性點(diǎn)接地方式不會(huì)影響線路保護(hù)的相間距離保護(hù)。

        3.1.2 線路接地距離保護(hù)

        表10—表11表明,方案4相對(duì)于方案3來(lái)說(shuō),不同故障點(diǎn)以方山電廠220 kV母線發(fā)生單相接地短路故障時(shí)短路電流變化最大。以500 kV瀘州變電站側(cè)保護(hù)來(lái)說(shuō),方案3下接地距離保護(hù)測(cè)量阻抗為3.108 7 Ω,較方案4的接地距離保護(hù)阻抗3.107 2 Ω,減少了0.048%,可視作增大了保護(hù)靈敏度;對(duì)方山電廠側(cè)來(lái)說(shuō),方案3下接地距離保護(hù)測(cè)量阻抗為3.023 6 Ω,較方案4的接地距離保護(hù)測(cè)量阻抗3.039 3 Ω,增大了0.52%。

        3.1.3 線路零序電流保護(hù)

        方山電廠主變壓器中性點(diǎn)接地方式的改變會(huì)導(dǎo)致零序等值網(wǎng)絡(luò)的改變,接地故障時(shí)的零序阻抗和零序電流也必然改變。從仿真計(jì)算結(jié)果得知,方山電廠220 kV母線發(fā)生兩相短路接地故障時(shí)方案4相對(duì)于方案3的短路點(diǎn)零序電流變化最大,方案3短路點(diǎn)零序電流為9.53 kA,方案4短路點(diǎn)零序電流為10.45 kA,增加了9.65%。則需對(duì)線路零序保護(hù)進(jìn)行整定校核。

        3.2 對(duì)主變壓器保護(hù)的影響分析

        3.2.1 主變壓器主保護(hù)

        中性點(diǎn)接地方式的變化不會(huì)影響差動(dòng)保護(hù)中的差動(dòng)電流和制動(dòng)電流的數(shù)值關(guān)系,因此不會(huì)對(duì)差動(dòng)保護(hù)產(chǎn)生影響。

        3.2.2 主變壓器零序過(guò)電流保護(hù)

        主變壓器零序過(guò)電流保護(hù)直接以主變壓器中性點(diǎn)電流為判據(jù),所以改變中性點(diǎn)接地方式會(huì)對(duì)零序過(guò)電流保護(hù)有直接的影響。從仿真計(jì)算結(jié)果得知:方山電廠主變壓器中性點(diǎn)接地方式從方案3改為方案4后,500 kV瀘州變電站500 kV單相接地短路故障時(shí),主變壓器中性點(diǎn)電流從7.55 kA降低至6.81 kA,變化9.8%;變壓器高壓側(cè)繞組零序電流從1.39 kA升至1.47 kA,變化5.8%。瀘州變電站220 kV單相接地短路,主變壓器中性點(diǎn)電流從7.53 kA降低至6.88 kA,變化8.6%;主變壓器中壓側(cè)繞組零序電流從0.84 kA變化為0.79 kA,變化5.8%。因此主變壓器各繞組零序電流變化較大,需對(duì)主變壓器高壓側(cè)零序保護(hù)進(jìn)行整定校核。

        通過(guò)對(duì)方山電廠主變壓器高壓側(cè)零序過(guò)流保護(hù)定值進(jìn)行了靈敏度校核,當(dāng)前定值下Ⅰ段靈敏度大于2,滿足規(guī)程DL/T 684—2012《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》的要求[5]。

        3.3 對(duì)發(fā)電機(jī)保護(hù)的影響分析

        由于主變壓器中性點(diǎn)接地點(diǎn)位于其高壓側(cè),發(fā)電機(jī)側(cè)(變壓器低壓側(cè))繞組為△接線,無(wú)零序通路,故發(fā)電機(jī)的零序等值網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有變化。另外,主變壓器中性點(diǎn)的變化不會(huì)影響發(fā)電機(jī)側(cè)的正序和負(fù)序網(wǎng)絡(luò)。故主變壓器中性點(diǎn)接地方式的改變不會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)保護(hù)產(chǎn)生影響。

        4 諧振風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

        加裝2臺(tái)小電抗器和隔直裝置后,可能產(chǎn)生串聯(lián)諧振問(wèn)題,現(xiàn)對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行分析。

        4.1 僅1臺(tái)小電抗器投入運(yùn)行

        小電抗器工頻電抗XL為11.67 Ω,隔直電容C為66 000 μF,可以計(jì)算得到電容器和電抗器的諧振頻率為

        4.2 2臺(tái)小電抗器均投入運(yùn)行

        2臺(tái)小電抗器工頻電抗XL均為11.67 Ω,并聯(lián)后等效為5.835 Ω,隔直電容C為66 000 μF,可以計(jì)算得到電容器和電抗器的諧振頻率為

        無(wú)論是僅使用1臺(tái)小電抗器還是2臺(tái)小電抗器均使用,其諧振頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于基波頻率,因此不會(huì)發(fā)生串聯(lián)諧振。

        5 結(jié) 論

        1)方山電廠2臺(tái)主變壓器中性點(diǎn)均經(jīng)小電抗器和隔直裝置接地,可有效降低500 kV瀘州變電站220 kV母線單相接地短路電流水平,在當(dāng)前電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下滿足斷路器遮斷能力要求,可消除非對(duì)稱故障下方山電廠非直接接地主變壓器中性點(diǎn)放電間隙被擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。

        2)方山電廠近區(qū)220 kV系統(tǒng)不同接地故障情況下,方山電廠主變壓器中性點(diǎn)、接地電抗器、隔直裝置的安全校核滿足要求。

        3)方山電廠主變壓器中性點(diǎn)接地方式的變化,諧振頻率遠(yuǎn)小于基波頻率,不會(huì)導(dǎo)致串聯(lián)諧振的發(fā)生。

        4)對(duì)方山電廠220 kV線路接地距離保護(hù)、零序電流保護(hù)存在一定的影響,需單獨(dú)校核。對(duì)線路相間距離保護(hù)、主變壓器差動(dòng)保護(hù)以及發(fā)電機(jī)保護(hù)不會(huì)產(chǎn)生影響。通過(guò)對(duì)方山電廠主變壓器高壓側(cè)零序過(guò)流保護(hù)Ⅰ段定值進(jìn)行了校核,靈敏度滿足規(guī)程要求。

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