深度解析高压限流电抗器在电网中的应用方案

      摘 要：在分层分区运行电网中，为限制不同电压等级的短路电流，可将高压限流电抗器安装在电网中不同位置来限制短路电流，以便达到最佳的效果。为限制220kV电网短路电流，通过对高压限流电抗器安装在电网中不同的位置进行了短路电流、潮流、片区供电能力等多方面的技术经济比较研究，经PSASP电力系统分析综合程序计算分析后，得出了高压限流电抗器安装在500kV主变供电分区电网中的最佳位置。

　　关键词：高压限流电抗器；电网；应用方案；
　　
      随着江苏电力负荷快速增长，电网加强，500/220kV分区内500kV变电站主变建设逐步达到其设计满容量规模，加上有些地区电厂接入220kV电网的增加，短路电流水平的控制日趋紧迫。
　　
      500/220kV分区内220kV短路电流水平的控制也成为提高分区内电厂可接入的容量，从而提高分区供电能力，提高电网规模效益的关键制约因素，因此，在研究改变电网结构，实施高阻抗变压器以及母线分段、分排等限制电网短路电流运行方式的基础上，进一步研究高压限流电抗器对短路电流水平的限制作用，显得十分必要。
　　
       一、高压限流电抗器的种类、特性和应用现状
　　1.高压限流电抗器的种类、特性
　　高压限流电抗器一般是指220kV及以上输电网电压等级的限流电抗器。串联限流电抗器就其产品结构和磁路而言，有干式空芯电抗器、油浸铁芯电抗器和干式铁芯电抗器三种。空芯电抗器电抗值总是保持为常数；铁芯式电抗器，铁芯会饱和，而导致铁芯电抗器的电抗值变小。限流电抗器在长期额定电流和故障电流下要求安全可靠的运行，要求其阻抗值或限制短路电流的能力不能变，因此，为限制系统故障短路电流的限流电抗器宜做成空芯产品而非铁芯产品。
　　
      2.高压限流电抗器的应用现状
　　目前，高压限流电抗器已较多应用在国内外高压电网中，下面介绍几个高压限流电抗器应用实例：
　　1）上海泗泾站：2004年南桥和黄渡500kV母线短路电流超过开关遮断容量，为此，在500kV黄渡～泗泾双回线路，泗泾站出口变电站内安装了2组500kV限流电抗器，额定阻抗14欧姆（相当于50公里500kV的LGJ-4×400线路），对限制泗泾、黄渡500kV变电站500kV母线短路电流水平有控制作用。
　　　
　　2）浙江瓶窑站：2009年12月24日在瓶窑—杭北单回线上安装1台8Ω、额定电流为2kA的故障电流限制器（简称FCL），安装位置在瓶窑变电站内。该故障电流限制器可以在发生短路瞬间将电抗器快速投入，大幅度降低支路的短路电流，并能将短路点的总电流降到47kA以下。
　　　
　　3）巴西Tucurui水电厂：巴西Tucurui水电厂规划装机容量8361MW，分二期建设：一期12×353MW；二期11×375MW。如果一、二期机组550kV母线直接相联，短路电流将超过断路器遮断容量40kA，因此在一、二期机组串与串之间装设串联电抗器，既实现一、二期机组高压母线的互联，提高系统的可靠性，又将短路电流控制在40kA以下。该电抗器额定阻抗为20欧姆，额定电流2.6kA，额定容量为3×135MVA，已于2004年4月底完成交接。
　　　
　　4）美国345kV电网：2001年，美国纽约电网的联合爱迪生系统由于新机组的接入，345kV电网短路电流超过了现有断路器遮断容量，因此在四回345kV线路串接了四台电抗器，以满足断路器遮断容量要求。
　　
      二、限流电抗器应用的必要性及其安装地点、设备参数选择
　　1.限流电抗器应用的必要性
　　江苏500kV主网尤其是苏南500kV电网由于和华东主网电气联系紧密，因此500kV短路水平较高，普遍在55～60kA左右，为此苏南地区500/220kV变电所大量采用高-中阻抗18%～20%的高阻抗变压器，十分有效地扼制500kV变电所220kV母线的短路电流水平。但随着电网进一步加强和供电分区内电源接入量的进一步增加，220kV电网短路电流水平将进一步提高，这就需要在高阻抗变压器应用的基础上，进一步研究采用新的方法来限制短路电流水平，前述的高压限流电抗器是一种可考虑选择的方案。
　　
      2.限流电抗器的可选安装地点
　　在分区电网中为限制220kV短路电流，高压限流电抗器通常有如下5个安装位置：①分区内500kV站主变回路500kV侧、②分区内500kV站主变回路220kV侧、③分区内500kV站220kV母线分段开关回路、④分区内220kV主力电厂的送出线路、⑤分区内220kV线路上。
　　
      3.限流电抗器的参数选择
　　通常决定限流电抗器容量（也决定其安装尺寸和投资）的主要是额定电流和阻抗值。通过调研，考虑设备制造和工程实施可行性及对220kV电网潮流、电压的影响，目前限流电抗器的阻值按不大于15Ω考虑为宜。
　　
      4.分区电网的模式
　　提供分区220kV电网短路电流的电源主要是500kV系统和接入220kV电网的机组。模式为单个500kV站3台及以上500kV主变独立成片，500kV主变并列运行供电一片电网的模式，该模式220kV母线合环运行，500kV站采用高阻抗主变（高-中阻抗20%）是江苏苏南目前和今后应用较普遍的典型范例。
　　
      上述模型中500kV变电站500kV母线短路时500kV系统提供约60kA短路电流；接入220kV电网电源使用多个600MW机组等效，每个等效机组与500kV站220kV侧的电气距离相当于20km LGJ-4×630线路，分区500kV变电站220kV母线短路时，机组提供的短路电流约为3.8kA/600MW。
　　
      需要指出的是，上述电网结构模型和电源模型的电气距离考虑了江苏苏南电网实际的输电半径和负荷密度。在电网结构较为稀疏的地区（例如苏北），电气距离应相应增大，单位容量机组提供的短路电流将适当减小。 　　

      三、限流电抗器在分区电网的应用研究 　
      本报告以远景苏南500/220kV分层分区电网比较典型的结构模式为范例研究了远景苏南地区500kV站逐步扩建至规模容量其220kV短路电流难以控制时，采用高压限流电抗器控制分区220kV电网短路电流水平，维持原有电网结构，提高分区供电能力的可行性。
　　
      按照规划阶段500kV站220kV母线短路电流控制在49kA以下的要求，该模式下分区220kV电网的供电能力详见表3-1①。可见，通过采用500kV高阻抗主变，分区供电能力可以得到大幅度提高。采用了高-中阻抗20%的500kV高阻抗主变后，分区供电能力较原使用高-中阻抗12%的低阻抗主变提高约2000MW，达4700～4800MW，该供电能力能够满足大多数220kV分区的供电需求，但对于负荷高度密集的苏南地区，部分220kV分区远景负荷还有可能超出该供电能力，此时就需要考虑应用高压限流电抗器控制220kV短路电流，以便能够接入更多的220kV电厂或配置更多的500kV变电容量。
　　
      以上述典型220kV分区为范例来研究220kV分区应用限流电抗器提高分区供电能力的可行性：分区500kV站配置4×1000MW主变（高-中阻抗20%），接入220kV机组2×600MW。按高压限流电抗器可选安装的位置做了四个研究方案，在分区220kV短路电流可控、潮流和电压满足要求的前提下研究分区供电能力提高方案如下：
　　方案1：在上述设定的分区中再新增2×600MW千瓦机组或1台1000MVA500kV主变，将分区供电能力提高1000MW左右，并在分区500kV站主变回路220kV侧装设3Ω限流电抗器（相当于主变阻抗提高至约26%）。
　　方案2：同方案一将分区供电能力提高1000MW左右，在分区500kV站主变回路500kV侧装设15Ω限流电抗器（相当于主变阻抗提高至约26%）。
　　方案3：同方案一将分区供电能力提高1000MW左右，在分区500kV站220kV分段开关回路装设10Ω限流电抗器。
　　方案4：同方案一将分区供电能力提高1000MW左右，在分区220kV主力电厂的送出线路装设15（30/90）Ω限流电抗器。
　　
      各方案下，分区500kV站220kV短路电流详见表3-2。 根据短路电流计算的结果，在不同位置安装限流电抗器的效果如下：若要在远景500kV短路电流水平接近63kA的情况下将分区供电能力提高1000MW左右（通过新增2台600MW级机组或增加1台1000MW主变实现），需要在每台500kV主变的220kV侧装设3Ω限流电抗器，或在其500kV侧装设15Ω限流电抗器；若将限流电抗器装设在220kV分段母线开关回路，其阻抗值则需达到10Ω；若限流电抗器装设在电厂送出线路上，其阻抗值即使达到15Ω，500kV站220kV短路电流无法控制在49kA以内，若需要限制在49kA以内，限流电抗器阻抗值需要达到30Ω（增加2台600MW级机组时）或90Ω（增加1台1000MVA主变时），但此时由于机组与系统电气距离过大，导致其送出线路在发生N-1三相永久故障时失稳。
　　
      此外，由于方案1、方案2在500kV主变回路装设限流电抗器基本相当于500kV主变高-中侧阻抗提高6%，若该分区500kV主变阻抗提高至26%，也能达到同样的短路电流控制效果。
　　
      考虑限流电抗器上可能通过的潮流，方案1～方案3②下限流电抗器的容量如表3-3所示。可见，方案1、方案2需要装设的限流电抗器容量相当，且明显小于方案3（限流电抗器的投资主要取决于容量）。 根据潮流计算分析，各方案下的分区供电能力详见表3-4。潮流计算的结果表明：
　　方案1、方案2中分区500kV站主变能够并列运行且降压均衡，其最大供电能力较方案3高约250～300MW；限流电抗器装设后220kV电压跌落约2kV，220kV电网电压水平仍在运行允许范围内。
　　
      方案3中220kV分段开关回路装设限流电抗器后500kV主变降压不均衡，其最大供电能力较方案1、2低250～300MW；限流电抗器装设后220kV电压未出现跌落。
　　
      可见，综合考虑提高分区供电能力、对分区220kV电压的影响及投资，方案1、方案2优于方案3（方案4不可行）。方案1（限流电抗器装设在500kV主变回路220kV侧）与方案2（限流电抗器装设在500kV主变回路500kV侧）相比，尽管方案1与方案2所需的容量基本一致，但在投资上方案2中高压限流电抗器安装在500kV侧时所需的绝缘水平较高，导致投资较高；此外，由于500kV站场地布置的原因将限流电抗器装设在主变500kV侧工程实施的难度高于装设在220kV侧。因此可见，在500kV主变回路220kV侧装设限流电抗器的方案较优。
　　
      另外，由于500kV变电所220kV分段开关处装设高压限流电抗器由于电抗器阻值尺寸大，且分段母线两侧负荷平衡会影响到分段电抗器的阻值选择，给限流电抗器的参数选择带来较大的复杂性和不确定性。因此，一般情况下不推荐采用分段电抗器的方式。
　　
      四、结论
　　本报告以远景苏南电网220kV分区的典型结构模式为范例研究了应用高压限流电抗器控制分区220kV短路电流水平，提高分区供电能力的可行性。潮流、短路计算的结果表明，在500kV主变回路500kV侧、500kV主变回路220kV侧及220kV分段开关回路上装设高压限流电抗器均能够有效控制分区220kV短路电流，显著提高分区供电能力，而在分区内220kV主力电厂的送出线路装设限流电抗器的效果则相对较差，且阻抗加到一定程度后还会引起电厂送出的稳定问题。在可行的3个方案当中，综合考虑提高分区供电能力、分区220kV短路电流控制效果、对分区220kV电网电压的影响、实施可行性及投资等方面因素后，认为在500kV主变回路220kV侧装设限流电抗器相对其他方案较优。考虑设备制造和工程实施可行性及对220kV电网潮流、电压的影响，限流电抗器的阻值按不大于15Ω考虑可将分区供电能力提高800～1000MW。
　　
      此外，潮流计算的结果表明，由于在500kV主变回路220kV侧装设限流电抗器需要的阻抗值较低（3Ω左右），限流电抗器不会造成分区220kV电网电压水平的过大跌落，但为保证电网在各种运行方式下的电压水平，需适度提高相应分区220kV站的无功补偿容量，使220kV母线功率因数达到0.98～0.99。