500kV 变电站主变中性点加装小电抗和电容隔直装置方案广东电网公司电力科学研究院广东省电力设计研究院2011年2月500kV 变电站主变中性点加装小电抗和电容隔直装置方案广东电网公司电力科学研究院广东省电力设计研究院2011年2月变压器中性点加装小电抗和电容隔直装置方案 1 项目背景由于电网结构加强，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。
在广东省电力设计研究院编制的《500kV 变电站主变中性点加装小电抗专题研究报告》的研究结果表明，500kV 自耦变压器中性点采用小电抗接地对降低单相短路电流的效果明显，随着电力系统规模的扩大和系统短路电流的不断增大，采用中性点小电抗接地的方式来限制变电站的短路电流是很有必要的。
在另一方面，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广东电网，由于地质条件的特殊性(多为花岗岩地质，大地直流电阻较大，这些直流输电系统初期的单极系统调试和后期的非正常运行所引起的大地回线方式导致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省份。
变压器直流偏磁可能会导致引起主变谐波、噪声、过热等问题，严重时可引起变压器、电容器组的损坏，并可能引起保护的误动，影响了变压器、电容器组，乃至电网的安全运行。
广东电网公司电力科学研究院针对变压器直流偏磁的抑制措施，开展了大量的研究工作，研制出一套新型的电容隔直装置，并已成功应用于广东电网多个变电站，对变压器直流偏磁的抑制效果明显。
目前，广东电网部分变电站同时出现单相短路电流过大和变压器直流偏磁的问题，针对该问题，本报告对主变中性点同时加装小电抗和电容隔直装置的设计方案及对各方面的影响作了必要的分析。
2 主变中性点小电抗简介2010年，广东电网横沥、香山、鹏城、宝安、莞城共五个500kV 变电站的主变中性点加装了小电抗。
综合考虑设备的可靠性、灵活性和经济性，在满足设备正常和N-1情况下运行要求下，广东省电力设计研究院推荐的主变中性点小电抗电气主接线方案如图1所示。
变压器中性点与接地串联小电抗器之间不安装隔离开关，只装设接地刀闸，小电抗和接地刀闸的接地侧均配置了直流电流测量CT ，保证在两种不同的接地方式下均保证直流电流的测量。
图1 主变中性点小电抗接线图由于小电抗前没有隔离开关，小电抗故障时，需通过接地刀闸直接接地后，拆开小电抗的导线才能对小电抗进行检修，检修较麻烦，但由于没有隔离开关，可以保证接地系统电网任何情况不发生中性点失地运行。
小电抗的长期工作电流，远低于电抗器额定电压，电抗器的可靠性很高。
国内多个变电站的应用经验表明，中性点小电抗从未出现过异常情况，一直运行良好。
3 电容隔直装置简介广东电网公司电力科学研究院研制的电容隔直装置正在省内五个500kV 变电站（北郊、西江、罗洞、贤令山、曲江）安装，即将投入使用，2011年计划在惠州、蝶岭、五邑和库湾500kV 变电站装设该装置。
电容隔直装置的基本结构如图2所示，装置主要由直流抑制一次设备（电容器）、旁路系统（限流电抗器＋双向晶闸管双支路、机械旁路开关）及控制监测装置（交直流CT 、数字测控装置）三部分构成。
其旁路系统采用双向晶闸管交流固态开关来实现动作的快速性。
使用元器件少，结构简捷，具有可靠性高的优势。
通过投入刀闸及接地刀的切换可实现变压器中性点接地方式及电容隔直装置退出的灵活转换。
图2 电容隔直装置原理图在检测到变压器中性线直流偏磁电流超过限值并达到时限时，会自动打开机械旁路开关，将电容器串入变压器中性点与地网之间，利用电容“隔直（流）通交（流）”的特点，有效隔断流过变压器中性线的直流电流。
选取工频阻抗足够小的电容器，可以保证交流系统的有效接地及交流零序电流的正常流通。
电容隔直装置在电容器支路上并联了一个双向晶闸管支路及一个机械开关支路作为电容器的旁路保护系统。
电容隔直装置的优点是为无源方式，安全性较高；隔直效率高；对系统继电保护的影响很小；与直流电流注入法比较，运行维护方便。
4 中性点小电抗和电容隔直装置接线方案针对主变中性点加装小电抗和电容隔直装置的电气接线，设计了两种方案，见图3。
（1）电气接线方案一：如图3(a所示（为简化起见，图中省略了避雷器、CT 等元件，下同），原主变中性点小电抗接线不变，在电抗器后串接电容隔直装置。
这种方案不需要改变原设备的接线方式，只需将两套装置简单串联即可。
但按这种接线方案，当接地刀K1闭合时，小电抗和电容隔直装置会同时被旁路，即两套装置相互不独立，不能分开检修。
（2）电气接线方案二：小电抗与电容隔直装置以串联的形式接入。
与方案一不同，取消了图1中的接地刀闸，改为在小电抗两端装设旁路刀闸；另外，由于电容隔直装置配备了直流CT 和交流CT ，因此小电抗在原设计方案（见图1）中配套的直流CT 和交流CT 可取消。
正常运行时，小电抗旁路刀闸K1打开，接地刀K2打开，投切刀闸K3闭合，小电抗和电容隔直装置均投入运行；小电抗故障或检修时，闭合旁路刀闸K1，小电抗退出运行，且不影响电容隔直装置的正常工作；电容隔直装置故障或检修时，闭合接地刀K2，打开投切刀闸K3，电容隔直装置退出运行，同样对小电抗没有影响。
（a ）接线方案一（b ）接线方案二图3 变压器中性点同时加装小电抗和电容隔直装置简化接线图综合运行的灵活性和经济性，电气主接线推荐方案二。
5 中性点小电抗和电容隔直装置相互影响分析在变压器中性点同时安装小电抗和电容隔直装置，可能会产生相互影响，包括以下几个方面：（1）过电压与绝缘问题目前我国500kV 输电系统中，变压器的中性点一般采用66kV 电压等级的绝缘水平，根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（DL/T 620-1997）的规定，在该电压等级下设备的额定雷电冲击耐受电压为325kV （峰值）；额定短时工频耐受电压为140kV （有效值）。
为研究小电抗和电容隔直装置的过电压问题，以紫荆站为对象，进行了电磁暂态仿真。
运行方式取2015年单相接地电流大方式，小电抗工频阻抗为15Ω，隔直装置的电容工频阻抗为0.05Ω、电感工频阻抗约为6.28Ω。
故障条件为：紫荆站220kV 母线单相接地（过渡电阻取0.001Ω），故障时间取稳态后20ms 、隔直装置的晶闸管导通时间设为故障后1ms 、隔直装置的旁路开关动作时间设为故障后40ms ，计算时长200ms ，仿真步长取1µs。
计算结果如表1和表2所示，其中表1是中性点只加装小电抗时的电压和电流，表2是中性点同时加装小电抗和电容隔直装置的电压和电流。
从表中数据可见，中性点电压的有效值小于66kV 电压等级下的短时工频耐受电压（140kV ），且裕度较大。
表1 只加装小电抗时的计算结果中性点/故障点故障相别A 相B 相C 相电流峰值（高值）（A ）6835.70 1702.10 15824.00 电流峰值（低值）（A ）-9288.20 -14648.00 -141.42 电流有效值（kA ）5.70 5.78 5.64 电压峰值（高值）（kV ）120.78 119.94 122.08 电压峰值（低值）（kV ）-120.50 -121.64 -120.01 电压有效值（kV ） 85.31 85.41 85.59表2 加装小电抗和电容隔直装置时的计算结果中性点/故障点故障相别A 相B 相C 相电流峰值（高值）（A ）6982.40 1701.70 15771.00 电流峰值（低值）（A ）-9252.70 -14615.00 -510.95 电流有效值（kA ）5.74 5.77 5.76 电压峰值（高值）（kV ）120.53 119.46 122.13 电压峰值（低值）（kV ）-120.50 -121.65 -119.45 电压有效值（kV ） 85.22 85.25 85.41结果表明，加装电容隔直装置前后，变压器中性点的电流有效值变化不超过2.0%、电压有效值变化不超过0.3%（详见表3）。
表3 加装电容隔直装置前后的中性点电压和电流（有效值）中性点/故障点加装电容隔直装置前后的相对误差故障相别A 相B 相C 相电流有效值（kA ）电压有效值（kV ）（2）基波与谐波谐振问题小电抗和隔直电容器同时投入运行时，可能产生串联谐振的问题，以下对该问题进行分析。
电抗器和电容器的工频阻抗X L 和X C 分别可由以下公式计算：L B X L ω=，1C B X Cω= （式中，2B B f ωπ=，50B f Hz =是基波频率）简单变换可得到电感值L 和电容值C 的表达式：LB X L ω=，1C B C X ω=则串联谐振发生的条件（21LC ω=）可转换为以下形式21L B C X X ωω⎛⎞⋅=⎜⎟⎝⎠当ω为基波或谐波频率时，21B ωω⎛⎞≥⎜⎟⎝⎠，此时1L C X X ≤才可能发生谐振。
以实际系统为例，2010年，在横沥站、莞城站、鹏城站、宝安站、香山站装设的小电抗容量分别为15Ω、15Ω、10Ω、10Ω、10Ω。
根据设计，电容隔直装置的工频阻抗为0.05Ω。
以电抗和电容在工频下的阻抗分别为15Ω和0.05Ω为例，可计算得到电容器和电抗器的谐振频率为：2.887f Hz =≈ 谐振频率远小于基波频率，不会发生基波或谐波谐振。
当电容器的工频阻抗为0.05Ω时，只有电抗器的工频阻抗小于或等于0.05Ω，才可能发生基波或谐波谐振。
按现有设备参数，小电抗与隔直电容器不会发生基波或谐波谐振问题。
若考虑变压器自身阻抗，由于变压器阻抗呈感性，即总电抗值增大，更不易发生谐振问题。
（3）对继电保护的影响由于电容隔直装置的工频阻抗仅为0.05Ω，对继电保护几乎没有影响。
因此，同时安装小电抗和电容隔直装置时，只需考虑小电抗对继电保护的影响。
（4）控制策略及参数设定由于小电抗不包含控制环节，以下仅考虑对电容隔直装置控制策略和参数设定的影响。
电容隔直装置的控制策略如下：1 正常情况：由于交流系统的接地故障和直流系统单极运行或不对称运行，均为非正常运行工况，发生概率低，持续时间短，为接地变压器及隔直电容器运行的安全起见，电容隔直装置的运行与控制控制策略是：晶闸管旁路在关断状态（不导通），机械旁路开关闭合，变压器中性点直接接地，隔直电容器被旁路短接；装置为旁路运行状态，变压器中性点为直接接地运行状态。
2 电容隔直装置的投入及投入闭锁当检测到中性线直流电流超过设定限值且时间达到时限时，z 若此时检测到的中性线零序交流电流小于设定限值时，控制旁路开关打开，将电容器接入变压器及地网之间，装置工作在隔直状态；z 若检测到中性线零序电流大于设定限值时，认为交流系统有不对称短路故障，保持旁路开关处于合位置。