提高500 kV变电站220 kV母线短路水平问题的研究

雷 铮， 王 魁， 李媛媛， 张天宇， 宋 佳

(国网天津市电力公司经济技术研究院， 天津 300100)

0 引言

随着城市电网快速建设和发展，系统短路水平不断增大。在电网发展初期暂态稳定问题比较突出时，提高短路水平是完全必要的。但是随着电网的发展，暂态稳定问题可能不再是限制电网运行方式的主要矛盾，为了保障电网的安全运行，需要采取一定的措施控制短路电流水平在设备允许范围内。根据相关研究成果，天津电网在不采取针对性措施的情况下，若干500 kV站及220 kV站的220 kV母线的短路水平均接近甚至超过50 kA。

解决短路电流问题主要有两种措施。一是采取限制短路电流的措施，如电网分区运行、采用高阻抗变压器、变压器中性点加装小电抗、控制电厂接入方式及提高升压变阻抗等；二是直接更换开关设备，提高开关额定遮断容量。目前，多数控制短路电流的研究主要基于限制短路电流这一措施，对直接更换开关设备这一措施研究较少。

本文基于提高开关额定遮断容量这一措施，针对500 kV站的220 kV母线选用抗短路水平63 kA的设备开展研究。

1 分区220 kV短路电流最大点辨识

找出220 kV分区电网的短路电流最大点，研究短路电流最大点可能出现的地方，对于研究和控制系统短路水平具有重要意义。本文所述的220 kV分区电网的电源是指500 kV变压器和220 kV电厂。对于单电源220 kV分区电网(仅从一个500 kV站接受电能)，容易证明，500 kV变电站的220 kV母线必然为该分区内的短路电流最大点，离电源越远，短路电流越小。以下重点证明多电源的情况。多电源分区如图1所示。

图1 多电源分区示意图

电源Gi的220 kV侧Ai、中间节点B的三相短路电流分别为：

(1)

(2)

式中IAi及IB分别为电源Gi的220 kV侧母线及中间节点B的220 kV母线短路电流；XGi、XLi分别为电源Gi的发电机阻抗、电源Gi到及中间节点B的阻抗。

2 提高500 kV站220 kV母线短路水平的影响分析

2.1 对500 kV短路水平的影响

500 kV变电站的500 kV母线短路电流主要由两部分组成：一是通过500 kV电网注入的短路电流；二是从220 kV侧通过变压器注入的短路电流,如图2所示。本小节探讨由于220 kV电厂的接入或合上某些220 kV联络线，导致500 kV站220 kV母线短路水平提升的同时，对500 kV母线短路水平的影响。

图2 500 kV站接入系统示意图

假定500 kV变电站内两个500 kV变压器并列运行，高、中压侧短路阻抗为14%。不考虑通过500 kV电网注入的短路电流，容易得到，单台主变容量S分别为1 200 MVA、801 MVA和750 MVA时，500 kV母线短路电流I500随220 kV母线短路电流I220的变化趋势如图3所示。

图3可以看出，I500随着I220的不断增大而增大，但变化速率逐渐减小。在高中压阻抗相同的情况下，变压器容量越大，I500越大。当220 kV母线短路水平由50 kA提高至63 kA时，500 kV侧短路水平将提升0.6～1.1 kA。

图3 I500随I220的变化曲线

2.2 对相邻220 kV站短路水平的影响

假定图4(a)中500 kV站的220 kV母线E短路水平为50 kA，合上某些联络线后短路水平提高至63 kA，如图4(b)所示。本小节验证500 kV站220 kV母线E短路水平的提高对相邻220 kV站(如节点B)短路水平的影响。设500 kV变电站内由两个主变容量为750 MVA的变压器并列运行，高、中压侧短路阻抗为14%，通过500 kV电网注入到500 kV母线短路电流为60 kA，假定节点B、C均通过双回2×LGJ- 630线路连接至500 kV站。

图4 500 kV站接入对相邻站影响系统接线示意图

情形1假定L1和L2侧均有电源，易得知有以下几式成立：

(3)

(4)

式中X500为500 kV侧系统的等效电抗；XT为变压器的等值电抗；XL1、XLM、XL2、XL3分别为节点B至E之间的线路电抗、B至F之间的线路电抗、C至E之间的线路电抗、D至E之间的线路电抗。

合上联络线L3后，节点B的短路电流增加值为：

(5)

(6)

ΔIB随节点B连接至500 kV站距离的变化趋势如图5情形1所示。随着距离的增加，ΔIB不断减小，且变化速率逐渐减小。当距离为0时，节点B就是500 kV站的220 kV母线，短路电流显然增加13 kA；当距离分别为5 km、10 km、20 km、30 km，短路电流分别增加8.54 kA、6.04 kA、3.48 kA、2.26 kA。

图5 ΔIB随与500 kV站距离的变化曲线

情形2线路L1侧有电源，线路L2侧无电源，可求得节点B的短路电流增加值为：

(7)

ΔIB随节点B连接至500 kV站距离的变化趋势如图5情形2所示。当距离分别为5 km、10 km、20 km、30 km，短路电流分别增加9.67 kA、7.49 kA、4.88 kA、3.43 kA。

情形3线路L1侧无电源，线路L2侧有电源，可求得节点B的短路电流增加值为：

(8)

ΔIB随节点B连接至500 kV站距离的变化趋势如图5情形3所示。当距离分别为5 km、10 km、20 km、30 km，短路电流分别增加7.59 kA、4.97 kA、2.61 kA、1.60 kA。

随着500 kV站220 kV母线短路水平的提高，其他相邻220 kV站短路水平会相应提高；距500 kV站越近，短路水平增加越大，短路水平增加值与距500 kV站的距离大致呈负指数关系。情形2和情形3为情形1的两种极端情形，二者所得到的短路电流增加值也是两个极值。500 kV站220 kV母线短路水平从50 kA提高至63 kA，当220 kV站与500 kV站的距离分别为5 km、10 km、20 km、30 km时，220 kV站的220 kV母线短路电流分别增加7.59～9.67 kA、4.97～7.49 kA、2.61～4.88 kA、1.60～3.43 kA。

需要特别说明的是，所合上的联络线L3侧一系列220 kV站的短路电流会大幅上升，其增加值可能超过相应500 kV站220 kV母线短路电流增加值，并可能超过其开关额定遮断容量。

根据天津电网相关规划研究成果，可得不同情况下滨海500 kV站附近站点的220 kV三相短路电流如表1所示。在2020年将滨海220 kV母线选用抗短路水平63 kA的断路器，则2020年可以合上创业至汉沽双回线，而不会引起其他站点短路水平超标。但是到2023年，如果继续合上该联络线，滨海220 kV母线短路水平将达到65 kA，同时米兰、鄱阳路和海门短路水平均超标，此时又必须断开先前合上的联络线。如果采取断开创业至汉沽双回线以及万年桥至米兰双回线，则表中所有站点220 kV母线短路电流均控制在50 kA以下。

表1 滨海500 kV站附近站点220 kV短路水平 单位:kA

2.3 对110 kV和35 kV短路水平的影响

220 kV变电站的110 kV母线短路电流主要由两部分组成：一是从220 kV侧通过变压器注入的短路电流；二是由接入110 kV的电厂通过110 kV电网注入的短路电流。这里探讨220 kV侧短路水平的提升对110 kV侧短路水平的影响，所采用的220 kV变压器容量为240 MVA，各侧阻抗分别为u12=14%，u13=23%，u23=8%。假定接入110 kV电网的发电机次暂态直轴电抗Xd″=0.183，额定功率因数为0.86，变压器短路百分比为XGT=12%，容载比为1.05。该电厂通过5 km双回线接入变电站的110 kV母线，单回线电抗为0.4 Ω/km。设接入110 kV的发电机容量为S110。两台220 kV主变110 kV侧分列运行，则110 kV侧短路电流为：

(9)

当220 kV侧系统短路电流I220从50 kA变化至63 kA过程中，在110 kV侧接入不同容量的小电源情况下，110 kV侧短路电流I110变化如图6所示。

图6 I110随I220短路水平的变化曲线

当220 kV变压器的220 kV侧短路水平从50 kA提高至63 kA时，110 kV侧是否并列、有无小电源(接入110 kV侧100 MW的电源)共四种情况下的110 kV和35 kV的短路电流如表2所示。

表2 中低压侧短路电流 单位:kA

从表中可以看出，220 kV侧短路水平从50 kA提高至63 kA，不考虑110 kV侧接入电源情况下，在110 kV分列和并列运行两种情况下，110 kV侧短路水平分别提高0.14 kA和0.50 kA，35 kV侧短路水平分别提高0.18 kA和0.37 kA；考虑110 kV侧接入100 MW电源情况下，在110 kV分列和并列运行时，110 kV侧短路水平分别提高0.15 kA和0.47 kA，35 kV侧短路水平分别提高0.15 kA和0.33 kA。由此可见，变电站220 kV侧短路水平从50 kA提高至63 kA，对110 kV侧和35 kV侧短路水平影响不大。

2.4 对分区规模的影响

500 kV站的220 kV母线短路电流主要由两部分组成：一是从500 kV侧通过变压器注入的短路电流；二是由接入220 kV的电厂通过220 kV电网注入的短路电流。500 kV主变高、中压侧短路比为14%。假定一个分区内仅含一个500 kV站，通过500 kV电网注入到500 kV母线短路电流为60 kA。分区内电源有20%的容量在距500 kV站10 km处接入，60%的容量在20 km处接入，20%的容量在40 km处接入。可得接入220 kV的发电机容量S220和由S220注入到500 kV站220 kV母线的短路电流I220之间的关系如下图7所示。

图7 I220随S220的变化曲线

针对不同的220 kV系统等值阻抗，按照上述方法可以得到相应的220 kV侧装机容量，由此可以确定分区供电能力。分区可供最大负荷=(N-1)×单台主变容量×1.3×0.9+220 kV侧允许装机×(1～10%)。根据上述计算方法，可得500 kV站220 kV开关遮断容量按50 kA控制时分区供电能力如表3所示。

表3 220 kV开关容量按50 kA控制时分区供电能力

按照类似方法，可得500 kV站220 kV开关遮断容量按63 kA控制时分区供电能力如表4所示。

表4 220 kV开关容量按63 kA控制时分区供电能力

综上，提高500 kV站220 kV母线短路水平，可以提高分区供电能力。220 kV开关遮断容量按63 kA控制相对于按50 kA控制时，分区供电能力大约提高1 800～2 600 MW。但是所得到的分区供电能力仅考虑了500 kV站220 kV母线的短路水平，而没有考虑分区内其他站点的短路水平是否超标，因此500 kV站220 kV母线的短路水平由50 kA提高至63 kA后，计算得到的分区供电能力较为乐观。然而需要指出的是，在高一级电压电网建成以后低一级电压电网实行分层分区的运行方式，不仅仅是为了降低短路水平，同时也是为了防止因负荷转移引起电网恶性连锁反应事故。合理的分区规模对于简化电网结构、缩小故障范围、有效控制系统潮流、优化无功电压均具有重要的意义。

2.5 对设备装备的影响

系统短路水平上限值的选择决定了开关设备的开断容量、开关设备及变电站各元件(母线、导线、接地网、支持瓷瓶等)的热稳定和动稳定、对通信线路的干扰程度、以及接地网的接触和跨步电压等。在电力系统的发展初期阶段，短路水平较低，此时站内其他设备往往有足够的裕度。然而当系统短路水平已经很高时，如果直接采取更换断路器的方法，还需要对站内其他设备进行校验甚至加强或更换，如主变压器、隔离开关、互感器、母线、瓷瓶、架构、基础、接地网等。

3 结论

基于上述研究，得出如下结论：

(1)500 kV站的220 kV母线往往是电网的密集交汇点，在实际电网中，该母线一般为220 kV电网分区中短路电流最大点。

(2)500 kV站220 kV母线短路水平的提高，会带动分区内220 kV站短路水平的提升。220 kV站短路水平增加值与其距500 kV站的距离大致呈负指数关系。

(3)提高部分500 kV站220 kV母线短路水平后，合上某些联络线现阶段可能不会导致其他220 kV站短路水平超标，但随着电网和电源的快速建设和发展，220 kV站的220 kV母线短路水平不断提升，可能会超过其额定遮断容量；部分已提高至63 kA的500 kV站220 kV母线的短路水平也可能突破63 kA。

(4)220 kV侧短路水平的提高，会引起500 kV、110 kV和35 kV侧短路水平的提升，但影响幅度均较小，同时会在一定程度上提升分区规模。

当系统短路水平已经很高时，如果直接采取更换断路器的方法，还需要对站内其他设备进行校验甚至加强或更换，如主变压器、隔离开关、互感器、母线、瓷瓶、架构、基础、接地网等。

鉴于上述研究，对于天津电网的部分变电站短路电流超标问题，不建议将500 kV变电站的220 kV设备短路水平提高至63 kA，建议通过采用合理分区运行、断开分区内部分联络线、合理引导电源并网等方式控制短路水平在合理范围内。

解决电网短路水平整体偏高问题是一个系统工程，应从全网、全系统、全局的角度综合分析研究，电网分区是有效降低系统整体短路水平的经济措施之一。对于500 kV站220 kV母线是否选用63 kA断路器，应该针对实际中的具体电网统筹考虑，慎重研判，确保系统安全可靠经济运行。