±1100 kV分层接入换流站短路电流计算及地网设计研究

曾维雯，韩毅博，陈 晨，李浩原，周思远，谢 龙

(中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司, 湖北 武汉 430071)

0 引 言

昌吉—古泉±1100 kV特高压直流输电工程是目前世界上具备最高电压等级、最大输送容量、最远输送距离、最先进技术的特高压直流输电工程。昌吉—古泉特高压工程的建设，极大缓解了华东地区“十三五”期间电力供需矛盾，满足了受端地区经济及负荷快速增长需要，保障了华东地区社会经济持续快速发展[1]。吉泉直流工程的勘测设计、设备制造、施工调试经验，为今后国内外直流工程建设提供了有价值的技术资料。±1100 kV古泉换流站是吉泉直流受端换流站，换流站网侧采用分层接入[2]方式，分别接入1000 kV和500 kV交流系统。短路电流计算及接地设计是工程设计的重要内容，随着电网规模逐步扩大，系统接地短路电流也呈现上升趋势，对人身安全、弱电设备抗干扰性能等方面也提出了更高的要求，因此，接地网的可靠设计对换流站的安全稳定运行具有重要意义。对于古泉这种具有分层接入方式的特殊换流站，需要对不同的接入点，基于换流站各种运行方式来计算短路电流，并用于指导设备选型和接地网设计。

1 换流站分层接入特点

特高压换流站交流常规接入方式和分层接入方式如图1所示。常规接入方式为单层接入500 kV或750 kV系统，全部直流功率接入单个交流落点，不利于电网潮流疏散；分层接入方式将换流变压器网侧分别接入500 kV和1000 kV系统，改善了直流功率在不同电压层级电网的分布情况，并降低了交流电网电压失稳风险[3]，增强了电网运行的可靠性和稳定性。

图1 换流站接入方式

2 系统短路电流计算

2.1 系统参数

换流站系统接线如图2所示。基准容量Sj=100 MVA，基准电压Uj1-1000=1050 kV，Uj1-500=525 kV，Uj2=10.5 kV。

图2 换流站系统接线

1)系统阻抗

根据系统资料，1000 kV系统等值正、负序阻抗X11-1000=X21-1000=0.002 025，系统零序等值阻抗X01-1000=0.002 398；500 kV系统等值正、负序阻抗X11-500=X21-500=0.002 398，系统零序等值阻抗X01-1000=0.002 69；1000 kV与500 kV等值正、负序阻抗X11-1000～500=X21-1000～500=0.040 2，系统零序等值阻抗X01-1000～500=0.628 5。

2)换流变压器参数

8组容量为Se1=3×587.1 MVA换流变压器，低端4组连接1000 kV母线，高端4组连接500 kV母线，其中YN/y和YN/d连接各4组，每组由3台单相双绕组变压器组成，阻抗压降Ud1=22%。可计算得单组换流变压器正、负、零序等值阻抗为X12=X22=X02=0.012 49。

3)高压站用变压器参数

2台容量为Se2=40 MVA的500 kV/10 kV三相变压器，阻抗压降Ud2=12%。可计算得单台高压站用变压器正、负、零序等值阻抗为X13=X23=X03=0.3。

2.2 三相对称短路电流计算

换流站系统正、负序等值阻抗如图3所示。

图3中X11-1000、X11-500、X11-1000～500为系统正序等值阻抗，X13为单台500 kV/10 kV高压站用变压器正序等值阻抗。三相对称短路电流计算如式(1)所示[4]。

图3 系统正、负序等值阻抗

(1)

三相对称短路电流计算结果如表1所示。

表1 三相对称短路电流计算结果

2.3 两相短路电流计算

两相对称短路电流计算如式(2)所示[4]。

(2)

两相短路电流计算结果如表2所示。

表2 两相短路电流计算结果

2.4 两相接地及单相短路电流计算

两相接地及单相短路需考虑零序网络的影响，其中YY变压器零序阻抗为无穷大，Y△变压器零序阻抗与正序阻抗相同[4]。换流站系统零序等值阻抗如图4所示，图中X01-1000、X01-500、X01-1000-500为系统零序等值阻抗，X02为换流变压器零序阻抗，X03为高压站用变压器零序阻抗。

图4 系统零序等值阻抗

单相接地短路电流计算如式(3)所示[4]。

(3)

两相接地短路电流计算如式(4)所示[4]。

(4)

计入零序阻抗后，需考虑换流站不同的运行方式。换流站两相接地及单相短路电流计算结果如表3所示。

表3 两相接地及单相短路电流计算结果

3 入地短路电流计算

3.1 交流入地短路电流

根据换流站交流侧接线方式，在站内1000 kV母线短路时，站内侧的短路电流通过1000 kV换流变压器阻抗、500 kV换流变压器阻抗(由1000 kV～500 kV系统互阻抗连接到1000 kV母线)经“本站变压器高压侧—本站母线—本站接地网金属导体(未经过大地土壤)—本站变压器中性点”流通，系统侧的短路电流通过1000 kV系统阻抗、500 kV系统阻抗(由1000 kV～500 kV系统互阻抗连接到1000 kV母线)经“系统内其他变压器高压侧—其他站母线—输电线路—本站母线—本站接地网—大地土壤—其他站接地网—其他站变压器中性点”流通。500 kV母线短路时情况类似，站外短路则反之。因此，站内短路时，用于接地网设计的入地短路电流取系统侧短路电流分量；站外短路时取站内侧短路电流分量[5]。

站内点短路时的入地电流为

Ig，in=Imax(1,2)×X0Σ23/(X0Σ23+X01)

(5)

站外点短路时的入地电流为

Ig，out=Imax(1,2)×X01/(X0Σ23+X01)

(6)

式中：Imax(1,2)为单相接地短路电流和两相接地短路电流中的较大值，kA；X0Σ23为站内合成零序阻抗(标幺值)；X01为系统零序合成阻抗(标幺值)。

在计算合成阻抗时，同样需要考虑换流站不同运行方式的影响。换流站交流侧入地短路电流计算结果如表4所示。

表4 交流侧入地短路电流计算结果

根据表4计算结果可知，未考虑避雷线分流系数时，1000 kV站内短路时的最大入地短路电流为26.36 kA，站外短路时的最大入地短路电流为8.5 kA；500 kV站内短路时的最大入地短路电流为45.18 kA，站外短路时的最大入地短路电流为17.11 kA。

3.2 直流入地短路电流

换流站直流侧最大入地短路电流可按式(7)计算[6]。

(7)

式中：Icrest为晶闸管阀桥与平波电抗器之间直流极线对地短路时的短路电流，kA；Id为长时间过负荷直流电流，kA；IdN为额定直流电流，kA；dx为直流侧感性压降(标幺值)；Udioabs max为绝对最大空载电压，kV；UdioN为标称理想空载电压，kV。

计算求得Icrest=35.53 kA。考虑到直流侧短路时将立即触发单极闭锁，瞬时短路电流持续时间短，因此，一般以交流侧的短路电流来考核接地网的接地电阻。

3.3 避雷线的分流

根据文献[7]给出的计算方法，当考虑线路避雷线的分流效应后，接地网入地短路电流如表5所示。

表5 入地短路电流(考虑分流系数后)

根据文献[8]表B.0.3，取系统参数X/R=20，故障时延tf=0.35 s，则故障衰减系数Df=1.1。

因此，换流站最大接地故障不对称电流有效值为

IG=max(Ig,in，Ig,out)×Df=24.41 kA

(8)

4 接地网设计参数计算

4.1 接地体截面选择

接地引下线热稳定截面按式(9)选取[8]。

(9)

式中：te为短路的等效持续时间，取0.35 s；c为接地线材料的热稳定系数，铜材取c=249；Id为短路电流，kA，考虑远期电网发展，取系统最大短路电流水平63 kA。

代入计算得接地引下线最小热稳定截面为Sg为149.7 mm2。水平接地网热稳定截面按0.75Sg，取112.3 mm2。考虑到铜材料的腐蚀，换流站水平接地网选择150 mm2镀锡铜绞线，引下线选择-50×4 mm的镀锡铜排，垂直接地体采用直径17.2 mm、长2.5 m的镀铜钢棒。

4.2 接地电阻计算

接地电阻计算[8]如式(10)。

(10)

式中：ρ为土壤电阻率，取186.42 Ω·m；S为站址面积，取275 000 m2。

计算得接地电阻值为0.178 Ω。

在采取一系列措施后[8]，接地电阻限制值按式(11)计算。

(11)

代入得Rlim=0.204 Ω。因此该项目接地电阻满足要求。

4.3 安全电位校验

1)地电位升

由最大接地故障不对称电流和接地电阻计算值相乘可得最大地电位升Ugpr为4.35 kV。

2)接触电位差

根据文献[8]，计算接触电位差限制值Ut为536 V，最大接触电位差Utm为771 V，考虑人站在绝缘地坪上,地表土壤电阻率取ρs=5000 Ω·m，则可提升接触电位差限制值Ut到1511 V。

因此，当人站在土壤地表时，本站最大接触电位差不满足要求；当人站在绝缘地坪上时满足要求。故要求在运行人员需要日常操作的区域设置绝缘地坪。

3)跨步电位差

根据文献[8]，计算跨步电位差限制值为Us为1291 V，最大跨步电位差Usm为317 V。因此，本站最大跨步电位差满足要求。

4)软件仿真

采用CYMGrd软件对接地网进行仿真计算，安全电位仿真值分别如图5和图6所示。可看出软件仿真的接触电位差和跨步电位差与计算结果基本一致。

图5 安全电位仿真值(未采用绝缘地坪)

图6 安全电位仿真值(采用绝缘地坪)

5 结 语

上面研究了±1100 kV分层接入交流系统的特高压换流站短路电流计算方法及接地网设计参数，得到的主要结论如下：

1)换流站短路电流计算应选取三相短路、两相短路、两相接地、单相短路分别计算，其中三相短路、两相短路属于对称短路，用于校验设备选型；两相接地、单相短路属于不对称短路，用于校验接地网设计。

2)对于交流分层接入电网的换流站，要考虑不同的交流母线短路点，分别计算站内、站外短路的情况，并在考虑避雷线分流系数和故障衰减系数后，取最大值作为最大接地故障不对称电流。

3)接地网设计应校验接地体热稳定、安全电位、接地电阻控制指标，其中安全电位包括地电位升、跨步电位差、接触电位差。最大接地故障不对称电流下的地电位升不超过5000 V，这一数值决定了全站接地电阻的控制值。