摘要該文是《三峽電站500kV主變壓器中性點接地方式優化選擇》一文的續篇。隨著電力系統不斷擴大，受端系統逐步加強，500kV變電站特別是220kV側單相短路電流大于三相短路電流的現象時有發生，給設備選擇帶來困難。文中研究了500kV變電站單相短路電流急劇增長的原因，計算了變壓器中性點經小電抗接地對限制單相短路電流的作用，論證了經小電抗接地是限制單相短路電流的有效措施之一，并闡述了500kV自耦變壓器中性點經小電抗接地后，其等值零序電抗的計算方法，可供工程參考。
　　關鍵詞自耦變壓器中性點接地應用
　　1問題的提出
　　 《電網技術》1997年第5期刊登了筆者所作《三峽電站500kV主變壓器中性點接地方式優化選擇》一文，這是一個工程總結。三峽電站機組臺數多，大量主變壓器中性點直接接地后使系統零序電抗大大降低，導致單相短路電流超過三相短路電流，造成斷路器遮斷容量選擇困難。采用中性點經小電抗接地后將單相短路電流限制到三相短路電流水平，較好地解決了這個問題。
　　隨著電力系統不斷擴大、受端電網逐步加強，我國幾個500kV電網在2010年前后將相繼出現密集的雙/多環網。例如上海周圍180km的一個雙環網，接入了8個變電站，平均站距不到23km；北京周圍270km的雙環網，接入6個變電站，平均站距45km；湖北鄂東和遼寧遼陽雙環網周長分別為340km和425km，接入了6個和7個變電站，平均站距也僅50～60km。這些變電站不但規模大，而且全部采用自耦變壓器，中性點均為直接死接地，使得不少母線的單相短路電流大于三相短路電流。如何解決這個問題?采用變壓器中性點經小電抗接地是否有效?自耦變壓器經小電抗接地后電抗值如何計算?要注意什么問題?等等，本文擬解決這些問題。
　　 2我國500kV大型電力系統短路水平展望
　　 根據1997年下半年幾個設計單位完成的2010年電力系統規劃設計，華東、華北、華中、東北四大電網2010年裝機容量分別將達到98300、90540、70270和67351MW，為現有裝機容量的2.5～3倍，這將引起短路電流水平的急劇上升，加以網絡的加強，大量自耦變壓器的使用，更將出現單相短路電流大于三相短路電流的情況。表1列出了上述電網幾個典型變電站的短路電流水平。
　　表1幾個典型變電站的預計短路電流水平　　 廠、站
　　名稱 所在
　　系統 電壓
　　/kV 三相短路
　　電流/kA 單相短路
　　電流/kA 規模
　　/MVA 楊行變 華東 500 65.2 69.0^* 2×750＋1×1500 220 43.6
　　 外高橋廠 華東 500 58.7 63.0^* 3000 順義變 華北 500 56.7 50.8 4×1500 220 63.6 70^* 安定變 華北 500 56.2 50.1 2×801＋5×750 220 60.4 68.2^*
　　 鄭西變 華中 500 40.0 35.5 2×750 220 44.3 44.8
　　 鳳凰山變 華中 500 37.1 30.8 2×750 220 43.5 43.8
　　 漢陽變 華中 500 34.6 30.0 2×750 220 41.5 42.5
　　 沙嶺變 東北 500 39.5 37.3 3×750 220 40.6 50.3
　　 沈東變 東北 500 36.5 33.9 2×100 220 44.0 49.7
　　
　　 注：1.資料引自文獻［1～4］。
　　2.預測時間除華北系統為2020年外，其余均為2010年水平。
　　3.有*者為忽略220kV側系統后的估算值，有誤差，可能略偏校
　　由表1可見，(1)華東電網的楊行、外高橋兩站(廠)500kV系統的單相短路電流大于三相短路電流，其他各站500kV母線側三相短路電流大于單相短路電流。(2)四大網所列8個變電站的220kV側單相短路電流均大于三相短路電流，說明它有一定的普遍性。(3)上述現象，特別是220kV側已嚴重影響斷路器的選擇，有的還造成其它設備選擇困難，同時也增加了變電站接地網的設計難度。
　　出現上述現象的主要原因有五：
　　(1)系統越來越大，網絡得到加強，聯系更加緊密，使短路電流相應增大。
　　(2)規模巨大的發電廠多臺升壓變壓器中性點直接死接地，使本站或附近變電站的零序電抗急劇下降而導致單相短路電流增大，以致大于或接近于三相短路電流。
　　(3)隨著電網的發展，受端網絡日益加強，同時，受端負荷中心的負荷密度不斷增大，使得500kV變電站更加密集。本文所舉的上海、北京、鄂東和遼陽等負荷中心電網，站距均在20～60km間，增加了單相短路電流大于三相短路電流的可能性。
　　(4)由于制造上的原因，降壓型自耦變壓器的中壓側電抗常為零或接近于零，大量使用500kV自耦變壓器是導致220kV側單相短路電流大于三相短路電流的重要原因。
　　(5)規模巨大的500kV變電站，其低壓側電抗急劇降低，引起220kV側的零序等效電抗下降，從而導致單相短路電流升高。華北電網的順義、安定兩變電站，容量分別達到6000MVA和5350MVA，其單相短路電流比三相短路電流高出的倍數也明顯高于其它系統的廠、站。
　　3500kV自耦變壓器中性點經小電抗接地方式對限制單相短路電流的作用
　　 圖1為楊行、鳳凰山和安定三變電站單相短路電流與中性點小電抗器電抗的關系曲線。　　
　　 圖1典型變電站單相短路電流
　　與中性點小電抗阻抗的關系曲線
　　 對于降低500kV單相短路電流，中性點經小電抗接地有一定效果，但不太明顯。楊行變電站小電抗阻抗值即使由0提高到1.2Uk%，其單相短路電流也只由69kA降到66kA，只下降3kA，下降率為5%；鳳凰山由30.8kA降到27.6kA，減小3.2kA，下降率為10.4%。可見下降率不高。但對于220kV側，其效果卻十分顯著。楊行、鳳凰山、安定三變電站220kV側的單相短路電流分別由47.5kA、43.8kA、68.2kA降到21.1kA、28.8kA、31.6kA，分別減少了26.4kA、15kA、16.6kA，下降率分別達到55%、34%和54%。
　　由此可見，500kV自耦變壓器中性點經小電抗器接地是一項限制220kV側單相短路電流極為有效的措施。
　　 4中性點經小電抗接地的500kV自耦變壓器電抗值計算
　　 對于中性點經小電抗接地的普通變壓器，當Yo接法的繞組中通過零序電流時，中性點接地阻抗上將流過三倍零序電流，并產生相應的電壓降，使中性點產生與大地不同的電位。因此，其零序等值阻抗應為該繞組的漏抗與三倍中性點小電抗之和。
　　對于自耦變壓器則不然，由于自耦變壓器有一個公共線圈，各線圈共用一個中性點和接地阻抗，因此，中性點的入地電流，應等于兩個自耦繞組零序電流之差的三倍。當自耦變壓器的中性點經小電抗接地時，中性點的電位，不像普通變壓器那樣只取決于一個繞組的零序電流，而要受兩個繞組的零序電流的影響。因此，中性點接地電抗對零序等值電路及其參數的影響，也與普通變壓器不同。
　　圖2為中性點經小電抗接地的自耦變壓器電路圖及其零序等值電路。圖中1、2、3分別表示高、中、低壓三個繞組，X1、X2、X3為中性點直接接地時的高、中、低壓側的等值零序電抗，X′1、X′2、X′3為中性點經小電抗接地后的高、中、低壓等值零序電抗。(a)為三繞組自耦變壓器，將繞組3開路(即三角形開口)時，歸算到1側的零序等值電路。設中性點電壓為n，繞組端點對地電壓為10、20，繞組端點對中性點的電壓為1n、2n，則有
　　
　　
　　
　　
　　圖2中性點經小電抗接地的
　　自耦變壓器及其零序等值電路
　　 若高、中壓繞組變比為k＝U1/U2，則可以得到歸算到1側的等值電抗為
　　
　　 式(2)中等號右邊第一項為變壓器直接接地時1-2間歸算到1側的等值電抗，即
　　
　　 而
　　 于是
　　
　　 若將繞組2開路，則自耦變壓器相當于一臺Y0/Δ接法的普通變壓器，其歸算到1側的等值電抗為
　　
　　 同樣，若將繞組1開路，也是一臺Y0/Δ的普通變壓器，歸算到1側的等值電抗為
　　
　　 由式(3)、(4)和(5)即可求得中性點經小電抗接地的自耦變壓器高、中、低壓側等值零序電抗為
　　
　　 由式(6)可以看出，中性點經電抗接地的自耦變壓器與普通變壓器不同，它的零序等值電路中，包括三角形在內的各側等值電抗，均包含有與中性點接地電抗有關的附加項，而普通變壓器則僅在中性點電抗接入側增加附加項。
　　 5綜合分析
　　 (1)變電站規模不宜過大。由表1數據可知，變電站規模對500kV單相短路電流有一定影響，但主要還是取決于系統容量。而220kV則不然，單相短路電流不但受系統容量影響，且與變電站的規模密切相關。楊行、順義、安定和沙嶺等變電站規模較大，單相短路電流超過三相短路電流的百分值亦高。華中三個站均為2組750MVA變壓器，單相短路電流增加就相對小一些。筆者以為，變電站規模以不超過3000～4000MVA為好。
　　(2)由于種種原因，當必須建設規模巨大的變電站時，則可將多臺變壓器在220kV側分裂運行，以減少220kV側的短路電流。
　　(3)500kV變壓器中性點經小電抗接地能有效地抑制220kV側單相短路電流，這是降低220kV側單相短路電流的一種有效措施。
　　(4)對楊行、鳳凰山和安定三個變電站的220kV單相短路電流實測表明，當變壓器中性點接入的小電抗阻值為變壓器高、中壓Uk%的10%時，三個站的單相短路電流下降幅度均已超過10%，當小電抗阻值達到高、中壓Uk%的30%時，下降幅度已達20%甚至更多，下降的電流值可達10kA以上，已足以滿足要求。因此，在一般情況下，小電抗阻值可在變壓器高、中壓Uk%的1/10～1/3之間選擇。
　　(5)當變壓器中性點接入小電抗后，中性點絕緣水平宜適當提高，當發生單相接地短路時，中性點電位取決于通過中性點的三倍零序電流乘以小電抗值，由圖2可知，它等于3(10～20)Xn。當小電抗阻值不高時，按國標GB1094.1-85的規定選取63kV級，一般便能滿足要求。
　　 6結束語
　　 通過研究，筆者認為，當500kV變電站220kV側單相短路電流過大而需要加以限制時，采用中性點經小電抗接地是一項極為有效的措施，其阻值可在高、中壓Uk%值的1/10～1/3之間選擇。此時，在一般情況下，其中性點絕緣水平大約相當于由原來死接地的35kV級提高到63kV級，能滿足要求。
　　當自耦變壓器中性點經小電抗接地后，等值零序電抗計算與普通變壓器不同，其高、中、低壓三個繞組的零序電抗均包含有小電抗分量，這是必須充分注意的。
　　 作者簡介：朱天游教授級高級工程師，1955年畢業于上海交通大學電力工程系，從事電力系統規劃設計工作40多年；中國電機工程學會電力系統專業委員會委員，中國電網公司專家委員會委員，前水電部長江三峽工程電力系統專題論證專家組專家兼工作組副組長，前國家科委長江三峽工程重大科學技術研究攻關項目電力系統規劃專題專家組專家，享受國家特殊津貼，著有論文近40篇。
　　 作者單位：朱天游（中南電力設計院，湖北武昌，430071）
　　 參考文獻
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　　4東北電力設計院.東北地區2010年電網發展規劃.1997
　　5何仰贊，溫增銀，汪馥英，周勤慧.電力系統分析.武漢：華中工學院出版社，1984
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