500kV变电站加装中性点设备电气技术方案研究

500kV变电站加装中性点设备电气技术方案研究
中图分类号：F407.61 文献标识码：A 文章编号：
一、概述
近年来随着广东电网装机容量和各级电压网架建设的高速发展，500kV网架结构大大增强，珠江三角洲地区基本形成了双回路内外环网的结构。

电网结构的加强满足了广东电网负荷增长和可靠供电的需求，但同时也带来了电网短路容量的问题。

由于电网结构加强，500kV变压器采用自耦变压器等原因，部分500kV变电站出现单相短路电流高于三相短路电流的现象，成为限制电网运行和发展的主导因素之一，需控制单相短路电流水平的增长。

另一方面，直流输电的快速发展带来了变压器直流偏磁的问题，目前已有五回直流输电系统落点的南方电网广东地区，这些直流输电系统初期在单极调试和后期的非正常运行所引起的大地回路方式导则交流系统中接地变压器的直流偏磁问题变得越来越严重和频繁，是国内变压器直流偏磁问题最严重的地区。

变压器直流偏磁可引起主变谐波、噪音和过热等问题，严重时刻引起变压器和电容器组的损坏，并可能引起保护的误动，影响变压器、电容器组以及电网的安全。

国内在500kV变压器中性点加装小电抗在部分电网如华东、华北电网有少量应用，中性点隔直装置电力系统的应用缺乏经验，其性能没有实践检验，同时加装两种装置同时会引起过电压和绝缘配合、
参数选择和接线选择等问题。

本文为南方电网在广东地区500kV主变压器加装中性点设备的设计、优化提供了指导和依据，为限制单相短路电流、抑制主变中性点直流偏磁的应用设计提供了借鉴意义。

二、技术原理及方案
2.1500kV主变中性点加装小电抗模型分析
中性点经小电抗接地的自耦变压器的零序等值电路中，包括三角形在内的各侧等值电抗，均包含有与中性点接地小电抗有关的附加项。

自耦变压器中性点接小电抗各绕组的零序等值电抗表达式如下：
式中，――中性点小电抗阻抗
――高中压变比
从上式可知，若Xn=0，即变压器的中性点直接接地，则由于自耦变压器中压侧电抗常为零或者接近为零，所以大量使用自耦变压器的500 kV 变电站中压侧的零序电抗很小，从而造成中压侧的单相短路电流较大。

中性点经电抗接地的自耦变压器与普通变压器不同，它的零序等值电路中，包括三角形在内的各侧等值电抗，均包含有与中性点接地电抗有关的附加项，而普通变压器则仅在中性点电抗接入侧增加附加项。

2.2500kV主变中性点加装电容隔直模型分析
电容隔直装置的原理简单来讲就是“隔直通交”，回路中流过交流分量时，装置呈短路状态，回路中流过直流分量时，装置呈开路状态。

电容隔直装置主要由直流一次设备（电容器）、旁路系统（限流电抗器+双向晶闸管双支路和机械旁路开关）及控制监测装置（交直流CT、数字测控装置）三部分组成。

旁路系统采用双向晶闸管固态开关实现快速旁路，通过投入刀闸及接地开关的切换，可实现变压器中性点接地方式及电容隔直流装置退出的灵活转换。

2.3建设方案
500kV变电站变压器高中压侧中性点连接采用管母线布置于变压器防火墙上，中性点管母线原为引接地线经直流电流测量装置接至地网，加装中性点设备需将原接至中性线管母线的接地线解开，中性线管母线不再经直流电流测量装置直接接至地网，而是经小电抗或电容隔直装置后再接入地网。

2.3.1电气主接线
500kV变电站加装中性点设备有三种接线形式：
（1）仅加装小电抗，接线见下图：
变压器中性点接小电抗，在小电抗前并联放电间隙、避雷器保护，在小电抗两端装设旁路刀闸。

可以通过接地开关转换到直接接地，从而变压器可以实现直接接地和小电抗接地之间的切换，同时可用于小电抗的检修维护。

小电抗后接有低压零序电流互感器和直流电流测量装置，以保证在不同的接地方式下均能监测到中性点电流。

（2）仅加装电容隔直，接线见下图：
变压器中性点接电容隔直装置，在电容隔直装置前串联单接地刀闸。

可以通过刀闸转换到直接接地，从而实现变压器中性点接地方式及电容隔直装置检修的灵活性。

电容隔直装置以及接地开关均接有直流电流测量装置，以保证在不同的接地方式下均能监测直流电流。

（3）同时加装小电抗和电容隔直
变压器中性点接小电抗，电容隔直装置通过隔离刀闸串联在小电抗后，在小电抗前并联放电间隙、避雷器保护，在小电抗两端装设旁路刀闸。

可以通过接地开关转换到经电容隔直接地，从而变压器可以实现经小电抗接地和经电容隔直接地之间的切换，当小电抗故障或需检修，通过闭合旁路刀闸退出小电抗，不影响电容隔直装置的运行，在电容隔直前并联接地开关，可以通过该接地开关实现经小电抗接地和直接接地之间的切换。

小电抗后接有低压零序电流互感器，每个接地回路均接有直流电流测量装置，以保证在不同的接地方式下均能监测到中性点电流。

2.3.2电气总平面布置
中性点设备布置在主变场地，考虑到大多变电站在一期建设时均未预留中性点设备位置，所以根据现场实际情况的不同有以下三种平面布置方式：
（1）主变场地尚留有空间，且中性点管母线靠近中性点设备侧满足接线要求，此时可通过架空线直接将中性点管母线与中性点设备相连，见下图：
（2）主变场地尚留有空间，但中性点管母线靠近中性点设备侧存在距离，不满足接线要求，此时需延长中性点管母线以实现和中性点设备的连接，见下图：
（3）主变场地已没有空间安装中性点设备，此时只能把中性点设备安装在变电站的其他位置，通过电缆和电缆封端头实现中性点设备和主变中性点管母线的连接。

三、应用及推广
本文中提到的500kV变电站中性点加装小电抗和电容隔直的接线、布置和设备选型已成功应用在南方电网的22个变电站中，限制了变电站220kV母线接地短路电流和主变中性点直流偏磁电流，提高了电网的供电可靠性和运行灵活性，增强了变电站对电网的适应性。

四、经济及社会效益
在500kV变电站主变中性点加装小电抗和电容隔直装置后可带来许多
收益，主要体现在：
1）限制系统短路电流水平和简化优化电网潮流，减少电网运行风险，保障电网的安全稳定运行。

2）在高压直流输电系统以大地回流方式运行时，限制了交流电网中中性点接地变压器的直流偏磁和谐波水平，减少了变压器故障发生率，确保了变压器的安全、正常运行。

3）提高区域供电可靠性、运行灵活性和提高变压器利用率。

4）提高电能质量，增强电网应对自然灾害和突发事件的能力。