第33卷 第21期2009年11月10
日Vol. 33 No. 21Nov. 10, 2009
500kV 电网短路电流超标机理及限制措施适应性
孙奇珍1, 蔡泽祥1, 李爱民1, 李 力2, 吴科成2
(1. 华南理工大学电力学院, 广东省广州市510640; 2. 广东省电力调度中心, 广东省广州市510600)
摘要:提出一种利用短路点自阻抗分析500kV 电网短路电流超标机理的方法, 并应用于短路电流
限制措施的适应性研究。基于二端口网络理论, 构建双端电源等值电路, 从短路点自阻抗各组成要素的物理意义角度分析不同位置、不同类型短路电流的主要影响因素, 揭示其超标机理。500kV 侧短路电流主要取决于500kV 侧电网结构, 因此其限制措施主要是改变500kV 侧电网参数; 220kV 侧短路电流受变压器等值阻抗和220kV 电网结构的影响, 但不同站点受二者影响程度不同, 应根据不同影响程度采取相应的措施以增大变压器等值阻抗或改变220kV 侧电网参数。应用于广东500kV 电网短路电流分析和限制措施的研究结果证明了其正确性和实用性。关键词:短路电流超标; 短路电流限制措施; 自阻抗; 双端等值电路中图分类号:TM732
0 引言
随着500kV 输电网架的形成和快速发展来越多的大型电厂直接接入, 500kV 域500kV 统安全运行的瓶颈, 采取措施限制短路电流迫在眉睫[125]。影响500kV 电网短路电流的因素主要包括500kV 电网结构、500kV 站点的变压器等值阻抗和电磁环网紧密程度等。对于不同位置、不同类型的短路电流, 其主要影响因素有很大的差异性[6], 从而决定了其具有不同的超标机理。限制短路电流的措施应根据不同的超标机理来选取, 从而使限制效果达到最优。
本文提出一种利用短路点自阻抗分析500kV 电网短路电流超标机理的方法。根据二端口网络理论, 构建双端电源等值电路。从短路点自阻抗各组成要素的物理意义分析不同位置、不同类型短路电流的主要影响因素, 指出其超标机理。进而, 根据不同短路电流超标机理分析了限制措施的适应性。
, , 构建双端电源等值电[], 分别保留500kV 站点的500kV 母线和220kV 母线, 等值时断开二者之间的变压器, 等值完成后再与等值支路并联。
图1中, Z H1, Z M1, Z H0, Z M0, Z L0分别为变压器T 形等值电路的正序和零序阻抗。由于500kV 变电站三绕组变压器低压侧通常无电源, 负载也较小, 在正序网络等值图中可以省略, 只保留高压侧和中压侧。上述各个值表征了该站点变压器阻抗的大小, 下送负荷越大, 变压器台数越多, 该值就越小
。
1 短路点自阻抗分析模型
短路点自阻抗是从故障节点看进去的戴维南等值阻抗。一方面, 自阻抗是三相短路电流的另一种表现形式, 可以表征短路电流的大小; 另一方面, 自阻抗能够从电网等值阻抗层面分析短路电流的性质
收稿日期:2009205225; 修回日期:2009207212。
图1 500kV 变电站正序和零序等值网络Fig. 1 Positive and zero sequence equivalent
netw orks at 500kV substations
Z eq1和Z eq0为等值联络阻抗, 是表征电磁环网的
正序和零序等值阻抗, 亦即从220kV 母线出发, 经过500kV 线路又回到220kV 母线的网络等值阻抗。电磁环网越紧密, 该值就越小。如果该站点为辐射形站点, 该阻抗为无穷大。
Z HS1为500kV 母线对地的正序等值阻抗, 对于
—92—
・工程应用・ 孙奇珍, 等 500kV 电网短路电流超标机理及限制措施适应性
电磁环网很弱或者没有电磁环网的站点, 该等值阻
抗表征了所有500kV 电厂对故障点的转移阻抗大小, 该值越小说明500kV 主网电气连接越紧密。Z HS0为相应的零序等值阻抗, 由于500kV 站点的变压器高压侧均采用星形接线方式且中性点接地, 所以500kV 电网的零序网络结构和正序网络结构基本相同, 而一般情况下零序线路参数是正序参数的3倍～5倍, 因此通常有Z HS0>Z HS1。Z MS1是220kV 母线对地等值阻抗,220kV 母线下接电厂越多, 该值就越小。Z MS0是相应的零序等值阻抗,220kV 站点的高压侧中性点大部分接地, 因此该值主要取决于220kV 出线的多少。
为了便于分析, 利用星网变换, 图1(b ) 可简化成图2所示
。
500kV 侧自阻抗只与500kV 电网结构有关, 即
(5) Z kH1=Z HS1
表1 500kV 站点高压侧正序自阻抗组成
T able 1 Positive 2sequence self 2imped ance composition at
the high voltage side of 500kV substations
Z HS1Z temp1Z MS1Z eq1Z kH1站名
东莞0. 00250. 0044∞∞0. 0025花都0. 00260. 00770. 09340. 14150. 0025汕头0. 01140. 00670. 01270. 03530. 0070
Z kH1/Z HS1
10. 96150. 6140
图2 500kV Fig. 2 netw kV 根据图1(a ) 可以得到电网高压侧的正序自阻抗Z kH1和220kV 侧的正序自阻抗Z kM1分别为:
Z kH1=[Z MS1+(Z H1+Z M1) //Z eq1]//Z HS1(1) Z kM1=[Z HS1+(Z H1+Z M1) //Z eq1]//Z MS1(2) 由图2可看出, 电网500kV 侧零序自阻抗和220kV 侧的零序自阻抗Z kM0可以分别写成:
Z kH0=(Z HS0//Z hl0) //(Z eq0//Z hm0+Z ml0//Z MS0) (3) Z kM0=(Z HS0//Z hl0+Z eq0//Z hm0) //(Z ml0//Z MS0) (4)
可见, 自阻抗的组成要素包括:表征500kV 电网结构的Z HS1和Z HS0; 表征下带220kV 电网结构的Z MS1和Z MS0; 表征电磁环网紧密程度的Z eq1和Z eq0及变压器的等值阻抗。不同故障位置、类型的自阻抗受各要素的影响程度不同, 导致了其短路电流超标机理的差异性。
对于500kV 电网联系紧密的站点, 如花都, 其500kV 出线高达10回,500kV 侧自阻抗主要取决于500kV 侧对地等值阻抗, 亦即500kV 电网结构。而对于500kV 电网电气联系不够紧密尤其是500kV 电网的末端节点, 并且电磁环网较为严重的站点如汕头, 其500kV 侧自阻抗不仅受500kV 电网结构的影响, 而且也受220kV 侧电网结构的影响。可见,500kV 侧(尤其是位于负荷密集区的站点) 电网结构。2, 单相:
() 0(1)
(6) I k =I k1+I k2+I k0=3I k0=
2Z k1+Z k0
(1) (0)
式中:I k 为单相短路电流; V k 为故障前瞬间故障点对地电压; Z k1和Z k0分别为故障点正序、零序自阻抗。
可见, 单相短路电流不仅受到正序自阻抗的影响, 还受到零序自阻抗的影响。
一般而言, Z hl0µZ HS0, Z eq0µZ hm0, 因此式(3) 可近似写成:
(7) Z kH0=Z HS0//(Z hm0+Z ml0//Z MS0)
令Z temp0=Z hm0+Z ml0//Z MS0, 用以表征变压器阻抗和220kV 侧对地阻抗的综合影响。表2给出了不同站点的零序自阻抗组成要素。
表2 500kV 站点高压侧零序自阻抗组成
T able 2 Z ero 2sequence self 2imped ance composition at the
high voltage side of 500kV substations
站名东莞花都汕头
Z HS0
Z temp0
Z MS0
Z kH0
Z temp0/Z HS0
0. 00580. 00510. 0162
0. 01410. 01990. 0130
0. 03010. 01330. 0097
0. 00400. 00730. 0040
2. 43103. 90200. 8025
2 500kV 电网短路电流超标机理分析
本节以广东电网为研究背景, 分别分析500kV 电网三相短路电流和单相短路电流超标机理。2. 1 500kV 侧三相短路电流超标机理
表1给出不同站点500kV 侧自阻抗(标幺值) 的组成要素, 其中Z temp1=Z H1+Z M1表示变压器等值阻抗。由表1可见, 对于完全解环且220kV 侧无电厂的辐射形站点, 如东莞站, Z eq1和Z MS1为无穷大,
对于辐射形站点, 如东莞站, Z temp0≈2Z HS0, 因此零序自阻抗主要取决于Z HS0, 但与变压器阻抗和220kV 阻抗也相关。
对于500kV 环网较为密集的站点, 尤其是联络站点, 如花都, 其零序自阻抗主要取决于Z HS0。对于位于500kV 主网末端的站点, 如汕头站, Z temp0起
—93
—
2009, 33(21)
到主导作用。可见, 电网密集区站点的500kV 侧零序自阻抗也主要取决于500kV 电网结构。
(3)
对应于单相短路电流, 三相短路电流I k 为:
I
(3) k
(Z HS0+Z hm0) //Z ml0, 用以表征高压侧等值阻抗和变压器阻抗的综合阻抗。表4给出了不同站点的零序
等值阻抗。
表4 500kV 站点220kV 侧零序自阻抗组成
T able 4 Z ero 2sequence self 2imped ance composition at the
220kV side of 500kV substations
站名东莞广南
Z HS0
Z temp0′
Z MS0
Z kM0
Z MS0/Z temp0′
=Z k1
(0)
(8)
() ()
由式(6) 、式(8) 可得:当Z k0>Z k1时, I k 1
(1) () () ()
当Z k0=Z k1时, I k =I k 3; 当Z k0I k 3。由于500kV 侧零序自阻抗和正序自阻抗都主要取决于500kV 母线对地等值阻抗, 且通常有Z HS0>Z HS1, 因此负荷密集区的500kV 侧三相短路电流大于单相短路电流。因此,500kV 侧主要考虑三相短路电流超标问题。2. 3 220kV 侧三相短路电流超标机理
比较式(1) 与式(2) 可见, Z MS1取代Z HS1成为并联量, 而Z HS1成为左侧并联量中的一个加数, 因此其对Z kM1的影响会减小。表3给出不同站点Z kM1的成分, 其中Z temp1=Z H1+Z M1, 表示变压器等值阻抗。
0. 00580. 0078
0. 00560. 0083
0. 03010. 0053
0. 00450. 0038
5. 37500. 6386
对于辐射形站点, 如东莞, Z MS0是Z temp0′的5倍, 因此, Z kM0主要取决于Z temp0′, 亦即主要取决于变压器阻抗; 而对于220kV 出线较多的站点, 如广南, Z kM0受220kV 侧等值阻抗Z MS0和变压器等值阻抗的影响都很大。可见,220kV 侧单相短路电流主要受本站变压器等值阻抗和所带220kV 电网结构的影响, 其超标机理随着下送负荷和220kV 电网结构的不同而变化。
表3 500kV 站点220kV 侧正序自阻抗组成
T able 3 Positive 2sequence self 2imped ance composition at
the 220kV side of 500kV substations
Z HS1Z temp1Z MS1temp1/站名
东莞0. 00250. 0. 90. 深圳0. 00260. 006200. 20. 00690. 90广南0. 00530. 007500530. 03200. 00372. 03
31区供电和增大设备阻抗2个方面[8211]。表5和表6分别给出了这2个方面的限制措施。
表5 运行方面的常用限制措施
T able 5 Common limiting measures on operation
限制措施断线、跳通解开电磁环网220kV 母线分列运行
主要作用
改变500kV 电网结构, 增大Z HS1, Z HS0
增大Z eq1, Z MS1, Z eq0, Z MS0
增大变压器等值阻抗和Z MS1, Z MS0
对于只带负荷的辐射形站点, 如东莞, 式(2) 可简化为:
(9) Z kM1=Z HS1+(Z H1+Z M1)
可见, 这类站点的220kV 正序自阻抗与500kV 电网结构和主变等值阻抗都相关, 且主要取决于变压器等值阻抗。比较式(5) 和式(8) , 由于变压器阻抗的存在,220kV 侧三相短路电流要比500kV 侧三相短路电流小。
对于负荷较重且下带220kV 电厂较少的站点, 如深圳站,220kV 正序自阻抗主要取决于变压器等值阻抗。对于负荷较重且下带220kV 电厂较多的站点, 如广南, 由于电磁环网较为严重, 即Z eq1较小, 且Z MS1较小, 因此这类站点的220kV 正序自阻抗主要取决于220kV 电网的电网结构。
可见,220kV 侧三相短路电流超标机理随着其下送负荷和下带220kV 电网结构的不同而变化。2. 4 220kV 侧单相短路电流超标机理
一般而言, Z hl0µZ HS0, Z eq0µZ hm0, 则式(4) 可近似成:
(10) Z kM0=(Z HS0+Z hm0) //Z ml0//Z MS0
Z kM0由3个并联量组成, Z HS0只是其中一个的加数, 而变压器阻抗和Z MS0对其影响都很大。令Z temp0′=—94
—
表6 设备方面的常用限制措施
T able 6 Common limiting measures on equipment
限制措施高阻抗变压器变压器中性点接小电抗故障电流限制器
主要作用
增大变压器等值阻抗增大变压器零序等值阻抗增大故障回路阻抗
由此可见, 不同的限制措施可以改变自阻抗的不同组成要素。因此, 应针对不同的超标机理选用相适应的限制措施。3. 2 短路电流限制措施适应性分析
500kV 侧三相和单相短路电流由500kV 电网结构决定, 因此限制500kV 侧短路电流的手段主要是通过“断线”“, 跳通”等调整电网结构以增大500kV 侧等值阻抗。而采用高阻抗变压器或者变压器中性点接小电抗以增大变压器等值阻抗对限制500kV 侧短路电流效果不明显。
220kV 侧自阻抗主要与变压器等值阻抗和
・工程应用・ 孙奇珍, 等 500kV 电网短路电流超标机理及限制措施适应性
220kV 侧对地等值阻抗相关, 但不同站点受二者影
响程度不同。对于受变压器等值阻抗影响较大的站
点, 如东莞, 采取高阻抗变压器、中性点接小电抗等措施效果较好。对于受220kV 对地等值阻抗影响较大的站点, 如广南, 解开电磁环网将有更好的限制效果。表7给出了在不同站点安装高阻抗变压器对短路电流限制效果的比较。
表7 不同站点使用高阻抗变压器的限制效果T able 7 Limiting effects using high imped ance transformers
at different substations
500kV 站点
随着电力电子技术的发展, 各种新型故障限流器得到越来越多的研究[14]。其中基于晶闸管的串联谐振型固态限流器在正常工况时电容器和电抗器谐振为零电阻, 短路时能迅速旁路电容器组, 相当于在线路中串联较大的电抗器[15], 解决了普通串联电抗器在正常运行时的压降及损耗问题。同时, 该限流器的及时投入, 还有利于减小发电机的不平衡功率, 从而改善系统的暂态稳定特性[16]。
4 结论
1) 500kV 侧短路电流主要取决于500kV 电网结构, 因此主要通过调整电网结构限制短路电流。
2) 220kV 侧短路电流主要取决于主变等值阻抗和220kV 对地等值阻抗, 但是不同站点受二者
高中压绕组阻200kV 侧三相220kV 侧三相短路抗值/(%) 短路电流/kA 电流减小值/kA
15. 59
36. 6832. 7330. 0235. 1334. 6434. 12
0. 501. 023. 956. 66
18. 0020. 0016. 55
东莞
广南18. 0020. 00
表7中, 东莞站和广南站原来的变压器阻抗为
15. 59%和16. 55%, 分别更换为18. 00%和20. 00%的高阻抗变压器, 东莞站220流可下降6. 66kA , 02东莞站的220kV 值阻抗, kV 响很严重。因此, 增大变压器阻抗对东莞站限制效果更好。
故障电流限制器可增大故障回路的阻抗, 从而既可限制500kV 侧短路电流, 也可限制220kV 侧短路电流。传统的故障电流限制器采用在线路中加装限流电抗器达到限制短路电流的目的, 表8给出了在广东电网北增甲乙线上装设不同阻值限流电抗器对相关站点短路电流的抑制情况。
表8 不同阻值的限流电抗器对短路电流的抑制情况
T able 8 R eduction of short 2circuit current by current 2limiting reactors with different values
站名增城北郊罗洞深圳
0Ω53. 152. 146. 447. 7
影响程度不同。受变压器等值阻抗影响较大的站点采用高阻抗变压器或者中性点接小电抗等措施效果较好, 而受220kV 。
, 进一步将其应用。
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50Ω45. 744. 242. 947. 0
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A Short 2circuit Current Over 2limited Mechanism of 500kV Pow er System and the Adaptability of
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S U N Qiz hen 1, CA I Zex iang 1, L I A imin 1, L I L i 2, W U Kecheng 2
(1. South China University of Technology , Guangzhou 510640, China ; 2. Guangdong Power Dispatching Center , Guangzhou 510600, China )
Abstract :A method is proposed to analyze the short 2circuit current over 2limited mechanism for 500kV power systems using the self 2impedance at the short 2circuit point. The method can be applied to assess the adaptability of short 2circuit current limiting measures. Based on two 2port network theory , an equivalent circuit with only two nodes is formed , using which the main influencing factors in short 2circuit currents of different locations and fault types f rom the physical meaning of self 2impedance composition at the short 2circuit point are analyzed , and the over 2limited mechanism is revealed. As is indicated , the short 2circuit current at the 500kV side mostly depends on the grid structures at the 500kV side , correspondingly the limiting measure is mainly to change the parameters of the 500kV power grid. The short 2circuit current at the 220kV side is affected not only by the equivalent impedance of transformers but also by the grid structures at the 220kV side , and the sensitivities of the two aspects vary at different substations. According to the various sensitivities , the limiting measure should be adapted to increase the equivalent impedance of transformers or to change the parameters of the 220kV side. The proposed method has been applied to the short 2circuit current analysis and the limiting measures assessment of Guangdong 500kV power grid. It is proved that the method is valid and with high practicability.
K ey w ords :short 2circuit current over 2limitation ; short 2circuit current limiting measure ; self 2impedance ; equivalent circuit with two nodes
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