深度解析高壓限流電抗器在電網(wǎng)中的應用方案 摘 要：在分層分區(qū)運行電網(wǎng)中，為限制不同電壓等級的短路電流，可將高壓限流電抗器安裝在電網(wǎng)中不同位置來限制短路電流，以便達到最佳的效果。為限制220kV電網(wǎng)短路電流，通過對高壓限流電抗器安裝在電網(wǎng)中不同的位置進行了短路電流、潮流、片區(qū)供電能力等多方面的技術經(jīng)濟比較研究，經(jīng)PSASP電力系統(tǒng)分析綜合程序計算分析后，得出了高壓限流電抗器安裝在500kV主變供電分區(qū)電網(wǎng)中的最佳位置。
關鍵詞：高壓限流電抗器；電網(wǎng)；應用方案；
隨著江蘇電力負荷快速增長，電網(wǎng)加強，500/220kV分區(qū)內(nèi)500kV變電站主變建設逐步達到其設計滿容量規(guī)模，加上有些地區(qū)電廠接入220kV電網(wǎng)的增加，短路電流水平的控制日趨緊迫。
500/220kV分區(qū)內(nèi)220kV短路電流水平的控制也成為提高分區(qū)內(nèi)電廠可接入的容量，從而提高分區(qū)供電能力，提高電網(wǎng)規(guī)模效益的關鍵制約因素，因此，在研究改變電網(wǎng)結構，實施高阻抗變壓器以及母線分段、分排等限制電網(wǎng)短路電流運行方式的基礎上，進一步研究高壓限流電抗器對短路電流水平的限制作用，顯得十分必要。
一、高壓限流電抗器的種類、特性和應用現(xiàn)狀
1.高壓限流電抗器的種類、特性
高壓限流電抗器一般是指220kV及以上輸電網(wǎng)電壓等級的限流電抗器。串聯(lián)限流電抗器就其產(chǎn)品結構和磁路而言，有干式空芯電抗器、油浸鐵芯電抗器和干式鐵芯電抗器三種�？招倦娍蛊麟娍怪悼偸潜３譃槌�(shù)；鐵芯式電抗器，鐵芯會飽和，而導致鐵芯電抗器的電抗值變小。限流電抗器在長期額定電流和故障電流下要求安全可靠的運行，要求其阻抗值或限制短路電流的能力不能變，因此，為限制系統(tǒng)故障短路電流的限流電抗器宜做成空芯產(chǎn)品而非鐵芯產(chǎn)品。
2.高壓限流電抗器的應用現(xiàn)狀
目前，高壓限流電抗器已較多應用在國內(nèi)外高壓電網(wǎng)中，下面介紹幾個高壓限流電抗器應用實例：
1）上海泗涇站：2004年南橋和黃渡500kV母線短路電流超過開關遮斷容量，為此，在500kV黃渡～泗涇雙回線路，泗涇站出口變電站內(nèi)安裝了2組500kV限流電抗器，額定阻抗14歐姆（相當于50公里500kV的LGJ-4×400線路），對限制泗涇、黃渡500kV變電站500kV母線短路電流水平有控制作用。
2）浙江瓶窯站：2009年12月24日在瓶窯—杭北單回線上安裝1臺8Ω、額定電流為2kA的故障電流限制器（簡稱FCL），安裝位置在瓶窯變電站內(nèi)。該故障電流限制器可以在發(fā)生短路瞬間將電抗器快速投入，大幅度降低支路的短路電流，并能將短路點的總電流降到47kA以下。
3）巴西Tucurui水電廠：巴西Tucurui水電廠規(guī)劃裝機容量8361MW，分二期建設：一期12×353MW；二期11×375MW。如果一、二期機組550kV母線直接相聯(lián)，短路電流將超過斷路器遮斷容量40kA，因此在一、二期機組串與串之間裝設串聯(lián)電抗器，既實現(xiàn)一、二期機組高壓母線的互聯(lián)，提高系統(tǒng)的可靠性，又將短路電流控制在40kA以下。該電抗器額定阻抗為20歐姆，額定電流2.6kA，額定容量為3×135MVA，已于2004年4月底完成交接。
4）美國345kV電網(wǎng)：2001年，美國紐約電網(wǎng)的聯(lián)合愛迪生系統(tǒng)由于新機組的接入，345kV電網(wǎng)短路電流超過了現(xiàn)有斷路器遮斷容量，因此在四回345kV線路串接了四臺電抗器，以滿足斷路器遮斷容量要求。
二、限流電抗器應用的必要性及其安裝地點、設備參數(shù)選擇
1.限流電抗器應用的必要性
江蘇500kV主網(wǎng)尤其是蘇南500kV電網(wǎng)由于和華東主網(wǎng)電氣聯(lián)系緊密，因此500kV短路水平較高，普遍在55～60kA左右，為此蘇南地區(qū)500/220kV變電所大量采用高-中阻抗18%～20%的高阻抗變壓器，十分有效地扼制500kV變電所220kV母線的短路電流水平。但隨著電網(wǎng)進一步加強和供電分區(qū)內(nèi)電源接入量的進一步增加，220kV電網(wǎng)短路電流水平將進一步提高，這就需要在高阻抗變壓器應用的基礎上，進一步研究采用新的方法來限制短路電流水平，前述的高壓限流電抗器是一種可考慮選擇的方案。
2.限流電抗器的可選安裝地點
在分區(qū)電網(wǎng)中為限制220kV短路電流，高壓限流電抗器通常有如下5個安裝位置：①分區(qū)內(nèi)500kV站主變回路500kV側、②分區(qū)內(nèi)500kV站主變回路220kV側、③分區(qū)內(nèi)500kV站220kV母線分段開關回路、④分區(qū)內(nèi)220kV主力電廠的送出線路、⑤分區(qū)內(nèi)220kV線路上。
3.限流電抗器的參數(shù)選擇
通常決定限流電抗器容量（也決定其安裝尺寸和投資）的主要是額定電流和阻抗值。通過調(diào)研，考慮設備制造和工程實施可行性及對220kV電網(wǎng)潮流、電壓的影響，目前限流電抗器的阻值按不大于15Ω考慮為宜。
4.分區(qū)電網(wǎng)的模式
提供分區(qū)220kV電網(wǎng)短路電流的電源主要是500kV系統(tǒng)和接入220kV電網(wǎng)的機組。模式為單個500kV站3臺及以上500kV主變獨立成片，500kV主變并列運行供電一片電網(wǎng)的模式，該模式220kV母線合環(huán)運行，500kV站采用高阻抗主變（高-中阻抗20%）是江蘇蘇南目前和今后應用較普遍的典型范例。
上述模型中500kV變電站500kV母線短路時500kV系統(tǒng)提供約60kA短路電流；接入220kV電網(wǎng)電源使用多個600MW機組等效，每個等效機組與500kV站220kV側的電氣距離相當于20km LGJ-4×630線路，分區(qū)500kV變電站220kV母線短路時，機組提供的短路電流約為3.8kA/600MW。
需要指出的是，上述電網(wǎng)結構模型和電源模型的電氣距離考慮了江蘇蘇南電網(wǎng)實際的輸電半徑和負荷密度。在電網(wǎng)結構較為稀疏的地區(qū)（例如蘇北），電氣距離應相應增大，單位容量機組提供的短路電流將適當減小。
三、限流電抗器在分區(qū)電網(wǎng)的應用研究
本報告以遠景蘇南500/220kV分層分區(qū)電網(wǎng)比較典型的結構模式為范例研究了遠景蘇南地區(qū)500kV站逐步擴建至規(guī)模容量其220kV短路電流難以控制時，采用高壓限流電抗器控制分區(qū)220kV電網(wǎng)短路電流水平，維持原有電網(wǎng)結構，提高分區(qū)供電能力的可行性。
按照規(guī)劃階段500kV站220kV母線短路電流控制在49kA以下的要求，該模式下分區(qū)220kV電網(wǎng)的供電能力詳見表3-1①�？梢�，通過采用500kV高阻抗主變，分區(qū)供電能力可以得到大幅度提高。采用了高-中阻抗20%的500kV高阻抗主變后，分區(qū)供電能力較原使用高-中阻抗12%的低阻抗主變提高約2000MW，達4700～4800MW，該供電能力能夠滿足大多數(shù)220kV分區(qū)的供電需求，但對于負荷高度密集的蘇南地區(qū)，部分220kV分區(qū)遠景負荷還有可能超出該供電能力，此時就需要考慮應用高壓限流電抗器控制220kV短路電流，以便能夠接入更多的220kV電廠或配置更多的500kV變電容量。
以上述典型220kV分區(qū)為范例來研究220kV分區(qū)應用限流電抗器提高分區(qū)供電能力的可行性：分區(qū)500kV站配置4×1000MW主變（高-中阻抗20%），接入220kV機組2×600MW。按高壓限流電抗器可選安裝的位置做了四個研究方案，在分區(qū)220kV短路電流可控、潮流和電壓滿足要求的前提下研究分區(qū)供電能力提高方案如下：
方案1：在上述設定的分區(qū)中再新增2×600MW千瓦機組或1臺1000MVA500kV主變，將分區(qū)供電能力提高1000MW左右，并在分區(qū)500kV站主變回路220kV側裝設3Ω限流電抗器（相當于主變阻抗提高至約26%）。
方案2：同方案一將分區(qū)供電能力提高1000MW左右，在分區(qū)500kV站主變回路500kV側裝設15Ω限流電抗器（相當于主變阻抗提高至約26%）。
方案3：同方案一將分區(qū)供電能力提高1000MW左右，在分區(qū)500kV站220kV分段開關回路裝設10Ω限流電抗器。
方案4：同方案一將分區(qū)供電能力提高1000MW左右，在分區(qū)220kV主力電廠的送出線路裝設15（30/90）Ω限流電抗器。
各方案下，分區(qū)500kV站220kV短路電流詳見表3-2。 根據(jù)短路電流計算的結果，在不同位置安裝限流電抗器的效果如下：若要在遠景500kV短路電流水平接近63kA的情況下將分區(qū)供電能力提高1000MW左右（通過新增2臺600MW級機組或增加1臺1000MW主變實現(xiàn)），需要在每臺500kV主變的220kV側裝設3Ω限流電抗器，或在其500kV側裝設15Ω限流電抗器；若將限流電抗器裝設在220kV分段母線開關回路，其阻抗值則需達到10Ω；若限流電抗器裝設在電廠送出線路上，其阻抗值即使達到15Ω，500kV站220kV短路電流無法控制在49kA以內(nèi)，若需要限制在49kA以內(nèi)，限流電抗器阻抗值需要達到30Ω（增加2臺600MW級機組時）或90Ω（增加1臺1000MVA主變時），但此時由于機組與系統(tǒng)電氣距離過大，導致其送出線路在發(fā)生N-1三相永久故障時失穩(wěn)。
此外，由于方案1、方案2在500kV主變回路裝設限流電抗器基本相當于500kV主變高-中側阻抗提高6%，若該分區(qū)500kV主變阻抗提高至26%，也能達到同樣的短路電流控制效果。
考慮限流電抗器上可能通過的潮流，方案1～方案3②下限流電抗器的容量如表3-3所示�？梢姡桨�1、方案2需要裝設的限流電抗器容量相當，且明顯小于方案3（限流電抗器的投資主要取決于容量）。 根據(jù)潮流計算分析，各方案下的分區(qū)供電能力詳見表3-4。潮流計算的結果表明：
方案1、方案2中分區(qū)500kV站主變能夠并列運行且降壓均衡，其最大供電能力較方案3高約250～300MW；限流電抗器裝設后220kV電壓跌落約2kV，220kV電網(wǎng)電壓水平仍在運行允許范圍內(nèi)。
方案3中220kV分段開關回路裝設限流電抗器后500kV主變降壓不均衡，其最大供電能力較方案1、2低250～300MW；限流電抗器裝設后220kV電壓未出現(xiàn)跌落。
可見，綜合考慮提高分區(qū)供電能力、對分區(qū)220kV電壓的影響及投資，方案1、方案2優(yōu)于方案3（方案4不可行）。方案1（限流電抗器裝設在500kV主變回路220kV側）與方案2（限流電抗器裝設在500kV主變回路500kV側）相比，盡管方案1與方案2所需的容量基本一致，但在投資上方案2中高壓限流電抗器安裝在500kV側時所需的絕緣水平較高，導致投資較高；此外，由于500kV站場地布置的原因將限流電抗器裝設在主變500kV側工程實施的難度高于裝設在220kV側。因此可見，在500kV主變回路220kV側裝設限流電抗器的方案較優(yōu)。
另外，由于500kV變電所220kV分段開關處裝設高壓限流電抗器由于電抗器阻值尺寸大，且分段母線兩側負荷平衡會影響到分段電抗器的阻值選擇，給限流電抗器的參數(shù)選擇帶來較大的復雜性和不確定性。因此，一般情況下不推薦采用分段電抗器的方式。
四、結論
本報告以遠景蘇南電網(wǎng)220kV分區(qū)的典型結構模式為范例研究了應用高壓限流電抗器控制分區(qū)220kV短路電流水平，提高分區(qū)供電能力的可行性。潮流、短路計算的結果表明，在500kV主變回路500kV側、500kV主變回路220kV側及220kV分段開關回路上裝設高壓限流電抗器均能夠有效控制分區(qū)220kV短路電流，顯著提高分區(qū)供電能力，而在分區(qū)內(nèi)220kV主力電廠的送出線路裝設限流電抗器的效果則相對較差，且阻抗加到一定程度后還會引起電廠送出的穩(wěn)定問題。在可行的3個方案當中，綜合考慮提高分區(qū)供電能力、分區(qū)220kV短路電流控制效果、對分區(qū)220kV電網(wǎng)電壓的影響、實施可行性及投資等方面因素后，認為在500kV主變回路220kV側裝設限流電抗器相對其他方案較優(yōu)�？紤]設備制造和工程實施可行性及對220kV電網(wǎng)潮流、電壓的影響，限流電抗器的阻值按不大于15Ω考慮可將分區(qū)供電能力提高800～1000MW。
此外，潮流計算的結果表明，由于在500kV主變回路220kV側裝設限流電抗器需要的阻抗值較低（3Ω左右），限流電抗器不會造成分區(qū)220kV電網(wǎng)電壓水平的過大跌落，但為保證電網(wǎng)在各種運行方式下的電壓水平，需適度提高相應分區(qū)220kV站的無功補償容量，使220kV母線功率因數(shù)達到0.98～0.99。 |
