自耦变压器中性点小电抗对短路电流及变压器保护定值的影响.pdf

电气与信息工程河南科技Henan Science and Technology总第807期第13期2023年7月收稿日期：2022-10-27作者简介：田宝江（1982），男，硕士，高级工程师，研究方向：继电保护运行及整定计算；郭培（1985），男，硕士，高级工程师，研究方向：继电保护运行及整定计算；刘尧（1992），男，硕士，工程师，研究方向：继电保护运行及整定计算。自耦变压器中性点小电抗对短路电流及变压器保护定值的影响田宝江1郭培2刘尧2（1.国网河南省电力公司，河南郑州450000；2.国网河南省电力公司电力科学研究院，河南郑州450000）摘要：【目的目的】为评估500 kV自耦变压器中性点加装小电抗器对零序等值网络、等值阻抗回路及变压器保护定值的影响。【方法方法】分析此措施对500 kV侧、220 kV侧单相接地短路电流的影响，以实际工程为例，计算加装不同阻值电抗值的效果。【结果结果】经分析可知，500 kV自耦变压器中性点加装小电抗器后，对220 kV侧、500 kV侧单相短路电流均有一定的限制效果，220 kV侧效果更明显，电抗值增加到一定值后，限制效果趋于饱和，并得到最优阻抗值。【结论结论】研究加装不同中性点小电抗对短路电流及变压器保护定值的影响，对提升电网可靠运行具有重要意义。关键词：自耦变压器；中性点小电抗；短路电流；零序网络；零序后备保护中图分类号：TM711文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）13-0017-05DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.13.003Influence of Small Neutral Reactance of Autotransformer on Short-Circuit Current and Transformer Protection SettingTIAN Baojiang1GUO Pei2LIU Yao2(1.Stated Grid Henan Power Grid Company,Zhengzhou 450000,China;2.Stated Grid Henan Electric Power Research Instiute,Zhengzhou 450000,China)Abstract:Purposes This paper aims to evaluate the influence of installing small reactor at the neutralpoint of 500 kV autotransformer on zero sequence equivalent network,equivalent impedance circuit andtransformer protection setting value.Methods The influence of this measure on the single-phasegrounding short-circuit current of 500 kV side and 220 kV side is analyzed.Taking the actual project asan example,the effect of adding different resistance reactance values is calculated.Findings The analysis shows that after adding a small reactor to the neutral point of the 500 kV autotransformer,the single-phase short-circuit current on the 220 kV side and the 500 kV side has a certain limiting effect.The effect on the 220 kV side is more obvious.When the reactance value increases to a certain value,the limiting effect tends to be saturated,and the optimal impedance value is obtained.Conclusions It is of greatsignificance to study the influence of small reactance with different neutral points on short-circuit current and transformer protection setting value,so as to improve the reliable operation of power grid.Keywords:autotransformer;small neutral reactance;short-circuit current;zero-sequence network;zero-sequence protection18第13期0引言自耦变压器是指一、二次绕组直接串联，自行耦合的变压器，其一、二次绕组有较大部分是共用的，只有较小部分流过共用绕组部分。相比于同容量的普通变压器，自耦变压器具有结构简单、体积小、质量轻、效率高和价格低等优点，特别适用于大功率变压器，在500 kV及以上电力系统中得到广泛应用。但因自耦变压器一、二次绕组在电气上是直接相连的，一、二次绕组间的零序电流和过电压无法相互隔离。当一次侧发生单相接地故障时，中性点电位会发生偏移，产生对地电位，引起中压侧各相电压升高，可能危及设备安全运行。因此，自耦变压器中性点通常直接接地运行，而这一运行方式会使零序电抗下降1。目前，河南电网500 kV及以上变压器均采用自耦变压器，自2013年以来，随着河南电网规模日益扩大，500 kV及以上变电站数量由原来的26座增加至50座，增加了近一倍，变电站更加密集，使得线路阻抗变小；500 kV及以上主变数量由53台增加至103台，使得系统零序等值电抗明显下降，出现单相短路电流大于三相短路电流的现象2，部分500 kV变电站的220 kV侧单相短路电流超过50 kA，接近设备额定遮断容量。为限制单相接地短路电流，有必要在部分500 kV变电站的自耦变压器中性点加装小电抗器。1加装中性点小电抗的自耦变零序等值网络分析500 kV自耦变压器加装中性点小电抗前后的自耦变压器零序电流回路及零序等值阻抗，以有名值（实际的电压、电流、功率和阻抗值）为指标来研究零序等值电路。对分相式自耦变压器，其零序励磁阻抗X0为无穷大。高、中、低三侧绕组等值阻抗分别用1、2、3下标来表示 1。自耦变压器零序电流回路如图1所示。自耦变压器中性点经电抗Xn接地时YN，a，d11接线自耦变压器1侧加零序电压时的零序电流回路。1、2侧绕组端点对地的电压表示见式（1）、式（2）3-4。U1=UN+U1NU2=UN+U2N（1）UN=j3（I01-I02）Xn（2）式中：UN为中性点电压；U1N、U2N分别为1、2绕组端点对中性点N的电压。当中性点直接接地时，UN=0，将U2归算到1侧，见式（3）。U2=（UN+U2N）Uav1Uav2（3）式中：Uav1、Uav2分别为1、2侧的平均额定电压。当图1中的三角形绕组开路时，就构成中性点经电抗接地的YN，a接线自耦变压器。归算到1侧的 1、2 侧间的等值零序电抗XT（1-2）的表示见式（4）、式（5）。jXT（1-2）=U1-U2I01=（UN+U1N）-（UN+U2N）Uav1Uav2I01=U1N-U2NUav1Uav2I01+j3XnI01-I02I011-Uav1Uav2=jXT（1-2）+j3Xn1-Uav1Uav22（4）jXT（1-2）=U1N-U2NUav1Uav2I01（5）式中：jXT（1-2）为中性点直接接地时归算到1侧的YN，a自耦变压器的零序等值电抗。当图1中的2侧开路时，1侧和3侧构成中性点图1自耦变压器零序电流回路1I01I022S3I02I02I01I01U0XnI03N田宝江，等.自耦变压器中性点小电抗对短路电流及变压器保护定值的影响第13期19经电抗接地的YN，d接线的普通变压器，归算到1侧 的 1、3 侧 间 的 等 值 零 序 电 抗XT（1-3）计 算见式（6）。jXT（1-3）=jXT（1-2）+j3Xn（6）图1中的1侧开路时，同理可得到归算到1侧的2、3侧间的等值零序电抗XT（2-3）计算见式（7）。jXT（2-3）=jXT（2-3）+j3XnUav1Uav22（7）由XT（1-2）、XT（1-3）、XT（2-3）可求出零序等值电路中归算到1侧的各支路等值电抗，见式（8）。XT1=12XT(1-2)+XT(1-3)-XT(2-3)=XT1+3Xn(1-n12)XT2=12XT(1-2)+XT(2-3)-XT(1-3)=XT2+3Xnn12(n12-1)XT3=12XT(1-3)+XT(2-3)-XT(1-2)=XT3+3Xnn12（8）式中：n12=Uav1Uav2。由XT1、XT2、XT3可作出零序等值电路，如图2所示。图2中I02、I03是归算到1侧的2、3侧零序电流。图2自耦变压器经阻抗接地零序等值网络将图2中每一项除以1侧基准阻抗，就得到用标幺值表示的零序等值电路；将图2中每一项乘以1n122，就得到归算到2侧的有名值表示的零序等值电路5。2加装中性点小电抗对故障电流的影响2.1对不同电压等级短路时等效电路阻抗的分析由式（1）计算出高压侧短路和低压侧短路时的零序阻抗。对500 kV自耦变，n12=515/230=2.24。高压侧发生单相接地短路时，其零序阻抗等值回路如图3所示。图3高压侧单相接地故障零序阻抗等值回路折算到高压侧的零序等值阻抗为XT1-3.72Xn+()XT3+6.72Xn/()XT2+8.33Xn+X2S0/X1S0。中压侧发生单相接地短路时，其零序阻抗等值回路如图4所示。图4中压侧单相接地故障零序阻抗等值回路折 算 到 高 压 侧 的 零 序 等 值 阻 抗 为XT2+8.33Xn+()XT3+6.72Xn/()XT1-3.72Xn+X10/X2S0。2.2短路电流的对比对500 kV自耦变压器因自身结构问题，其中压侧零序阻抗XT2通常很小或接近于0。当中性点直接接地时，即N0时，中压侧母线的单相短路电流值偏大。由式（5）和式（6）可看出，500 kV自耦变加装中性点小抗后，高、中压侧发生单相接地故障时，其零序阻抗值均会变化。其中，当高压侧发生单相接地短路时，其零序阻抗增大不明显；当其中压侧发生单相接地短路时，其零序阻抗明显增大。通常情况下，500 kV 系统侧短路阻抗相对较小。当高压侧故障时，500 kV侧短路电流大部分来自500 kV系统侧，受220 kV侧影响小。故中性点加装电抗对高、中压侧单相接地零序电流均有一定的抑制作用，当中压侧发生单相接地故障时，限制1323Xn（1-n12）U0I01XT1I03XT3I023Xnn123Xnn12（n12-1）3Xnn12（1-n12）X1S0XT3XT1XT23Xnn12（n12-1）3Xnn12X2S03Xnn12（n12-1）3Xnn12（1-n12）X1S0XT3XT1XT23Xnn12X2S0田宝江，等.自耦变压器中性点小电抗对短路电流及变压器保护定值的影响XT220第13期零序电流效果更明显6-7。根据对称分量法，自耦变压器正序、负序阻抗均不变，而零序阻抗变大。故可减小零序入地电流，即减小不对称接地故障的短路电流8。2.3对不同电压等级短路故障的仿真计算根据2020年电网结构，河南省部分500 kV变电站的单相短路电流超过三相短路电流。以比较典型的 500 kV甲、乙站为例，500 kV侧、220 kV侧母线发生单相接地故障、三相短路故障短路时的电流计算值见表1。表1500 kV变电站短路电流值单位：kA变电站甲站乙站500 kV母线短路电流三相36.2848.19单相32.3446.58220 kV母线短路电流三相42.8647.67单相44.7951.71对两站的其中一台500 kV变压器中性点串接不同阻值小电抗后的单相接地故障短路进行计算。500 kV 侧、220 kV 侧母线仿真计算结果如图 5、6所示。图5加装不同电抗500 kV侧母线单相接地故障短路电流图6加装不同电抗220 kV侧母线单相接地故障短路电流由图 5 可知，甲、乙两站加装中性点电抗后，500 kV母线单相短路电流均出现一定下降，不同阻值间的区别较小。其中，甲站短路电流由32.34 kA下降至 31.79 kA，下降了 1.7%，乙站短路电流由46.58 kA下降至45.27 kA，下降了2.8%。这说明中性点加装小抗对500 kV侧单相接地故障有一定限制作用，但作用有限。由图 6 可知，甲、乙两站加装中性点电抗后，220 kV母线单相短路电流均出现较明显的下降，电抗值由0 增加至15 时，甲、乙两站短路电流均线性下降，电抗值超过15 后，抑制效果随着小电抗阻抗值的增大而衰减。阻抗值在 015 时，甲站短路电流由 44.79 kA 下降至 36.18 kA，下降了 19.2%，平均值为 0.58 kA/；乙站短路电流由51.71 kA下降至42.03 kA，下降了18.7%，平均值为0.65 kA/。阻抗值在1521 时，甲站短路电流由36.18 kA下降至35.98 kA，平均值为0.2 kA/；乙站短路电流由42.03 kA下降至41.68 kA，平均值为0.35 kA/。在015 时，随着电抗阻值的增加，短路电流值下降。当超过15 后，随着电抗阻值的增加，短路电流值变化不大。因此，500 kV自耦变中性点电抗值宜选择15。3对主变保护定值的影响通过分析可知，零序等值网络的变化主要影响主变保护零序电流后备保护的灵敏度，对主变差动保护、阻抗保护的选择性和灵敏度基本无影响。自耦变压器加装中性点小电抗后，导致本站所有变压器保护零序电流保护的灵敏度降低，对相邻变电站的保护零序电流灵敏度的影响可以忽略。若本站有两台以上自耦变压器高中压侧均并列运行，为控制单相短路电流，逐一加装中性点小电抗，对零序电流保护灵敏度影响要分全部变压器加装和部分变压器加装两种情况进行讨论9。3.1全部变压器加装中性点小电抗当全部变压器加装中性点小电抗后，对每台变压器的零序电流定值的影响均相同。高压侧故障后，高压侧零序电流幅值较未装小电抗的变化稍小，对高压侧零序后备保护定值灵敏度的影响有限。经过精确计算发现，中压侧零序电流幅值将大幅减小，根据实际计算出的电流降低零序电流动作定值来确保有充足灵敏度。3.2部分变压器加装中性点小电抗当部分变压器加装中性点小电抗后，对每台变压器的零序电流定值影响是不同的。经精确计算后发现，对高压侧零序后备保护定值灵敏度影响有限。不同主变零序等值阻抗不同，经中性点小电抗接地的主变中压侧零序电流幅值将大幅减小，未加装中性点小电抗接地的主变中压侧零序电流反而甲站短路电流乙站短路电流短路电流/kA5045403530252015105036912151821电抗值/甲站短路电流乙站短路电流036912151821短路电流/kA电抗值/605040302010田宝江，等.自耦变压器中性点小电抗对短路电流及变压器保护定值的影响第13期21会小幅度增加，此时可不更改本站所有变压器零序后备保护定值，解决灵敏度问题的主要措施是暂时不更改定值，这是因为未加装中性点小电抗的变压器零序后备保护灵敏度足够，第一时限跳开母联和分段开关后，主变中压侧（220 kV侧）并列运行状态结束，此时对加装中性点小电抗的变压器将出现两种工况，一是与故障隔离，二是零序电流保护灵敏度将满足，此时可正确动作。待全站所有变压器后备保护均加装中性点小电抗后，再按对不同电压等级短路故障结局方法来统一调整零序电流保护定值。4结论500 kV 自耦变中性点加装小电抗对限制500 kV母线单相短路电流有一定作用，但效果不明显；其可有效降低220 kV母线单相短路电流。随着加装小电抗值的增加，对220 kV母线单相短路电流限制效果趋于饱和。因此，建议选择中性点小电抗阻值为15。主变加装中性点小电抗后，对主变差动保护、距离保护的选择性和灵敏度基本无影响，但会降低该变压器保护零序电流保护的灵敏度，应根据实际来计算电流降低零序电流动作定值。参考文献：1 国家电力调度通信中心.国家电网公司继电保护培训教材 M.北京：中国电力出版社，2009.2 梁纪峰，刘文颖，梁才，等.500 kV自耦变中性点串接小电抗对接地短路电流限制效果分析 J.电力系统保护与控制，2011（13）：96-99，110.3 王磊，徐丙华.华东电网500 kV自耦变压器中性点小电抗接地应用的研究 J变压器，2010（5）：53-56.4 朱天游.500 kV自耦变压器中性点经小电抗接地方式在电力系统中的应用 J.电网技术，1999（4）：17-20.5 胡世征.全星形自耦变压器的零序阻抗参数的探讨 J.电力技术，1979（5）：52-55，47.6 李晓华，张波，傅龙辉，等.多个500 kV站点自耦变中性点加装小电抗对零序电量叠加影响的研究 J.电网技术，2013（4）：1074-1082.7 梁纪峰，刘文颖，梁才，等.500 kV自耦变中性点串接小电抗对接地短路电流限制效果分析 J.电力系统保护与控制，2011（13）：96-99，110.8 李晨坤，张磊，呙虎，等.500 kV自耦变压器中性点小电抗接地应用研究 J湖南电力，2017（3）：59-61.9 江林，王自强，张庆庆，等.500 kV及220 kV自耦变压器对电网单相短路电流的影响 J.电力系统保护与控制，2008（18）：108-112，116.田宝江，等.自耦变压器中性点小电抗对短路电流及变压器保护定值的影响