福建省風(fēng)電匯流變35 kV側(cè)限制短路電流措施

陳增華，劉 瑩，李寧凱，王致珍

(1.福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，福建 福州 350001；2.福建永福工程顧問(wèn)有限公司，福建 福州 350001)

福建省風(fēng)電匯流變35 kV側(cè)限制短路電流措施

陳增華1，劉 瑩2，李寧凱1，王致珍1

(1.福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，福建 福州 350001；2.福建永福工程顧問(wèn)有限公司，福建 福州 350001)

本文通過(guò)對(duì)福建省風(fēng)電場(chǎng)匯流升壓變電站35 kV接線方案的對(duì)比分析，得出35 kV限流電抗器在風(fēng)電場(chǎng)匯流升壓變電站工程中的應(yīng)用前景。

高阻抗變壓器；限流電抗器；風(fēng)電場(chǎng)匯流升壓變電站；短路電流；熱穩(wěn)定截面。

1 概述

1.1 福建省風(fēng)電概況

近年來(lái)，福建省陸上風(fēng)電項(xiàng)目發(fā)展迅速，截至2012年底福建全省陸上風(fēng)電核準(zhǔn)規(guī)模已超過(guò)150萬(wàn) kW，并網(wǎng)規(guī)模超過(guò)110萬(wàn) kW。受資源秉賦條件限制，目前福建省在建和規(guī)劃在近期啟動(dòng)的陸上風(fēng)電項(xiàng)目主要集中在資源相對(duì)豐富的長(zhǎng)樂(lè)、福清、莆田、龍海等地的沿海區(qū)域，這些區(qū)域原有的單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目大多以1回110 kV出線送至附近的變電站。近年由于風(fēng)電項(xiàng)目的集中建設(shè)和投產(chǎn)，風(fēng)電送出問(wèn)題逐步顯現(xiàn)：一是風(fēng)電場(chǎng)所在區(qū)域大都在遠(yuǎn)離重負(fù)荷區(qū)，而110 kV線路輸送距離有限，風(fēng)電場(chǎng)所在地110 kV配電網(wǎng)已無(wú)法消納風(fēng)電所發(fā)電量；二是附近110 kV變電站現(xiàn)有的變電容量和間隔數(shù)量也無(wú)法滿足風(fēng)電建設(shè)的需要；三是在土地資源緊張而風(fēng)能資源相對(duì)豐富的長(zhǎng)樂(lè)、福清、莆田、龍海等地區(qū)，風(fēng)電場(chǎng)送出的輸電線路對(duì)當(dāng)?shù)氐耐恋厍懈顕?yán)重，影響地方政府對(duì)風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)的積極性。

基于以上原因，為了充分消納當(dāng)?shù)仫L(fēng)能所發(fā)電量、提高土地資源整體利用率、實(shí)現(xiàn)區(qū)域風(fēng)電快速發(fā)展，福建省發(fā)展改革委員會(huì)、福建電網(wǎng)公司等單位要求在陸上風(fēng)能資源豐富區(qū)域取消單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目以一回110 kV線路送出的方案，統(tǒng)一建設(shè)220 kV區(qū)域匯流升壓變電站，讓附近多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)集中匯流升壓后以一回220 kV電壓集中送出。

1.2 匯流變?cè)O(shè)計(jì)概述

風(fēng)電場(chǎng)匯流升壓變電站的設(shè)計(jì)思路與常規(guī)變電站有很多相似之處，但由于常規(guī)變電站35 kV側(cè)為負(fù)荷側(cè)、短路電流僅為系統(tǒng)側(cè)提供，因此短路電流小，都不需要采取限制短路電流的措施，而風(fēng)電場(chǎng)匯流升壓變電站35 kV側(cè)短路電流由系統(tǒng)側(cè)和風(fēng)機(jī)共同提供，每臺(tái)2 MW風(fēng)機(jī)提供至35 kV側(cè)的短路電流約為0.145 kA，若有90臺(tái)2 MW風(fēng)機(jī)接于35 kV側(cè)時(shí)，35 kV短路電流將大于25 kA；而35 kV集電線路環(huán)網(wǎng)柜的短路電流水平一般為20 kA～25 kA，特別對(duì)于某些需要將環(huán)網(wǎng)柜放置于風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)的風(fēng)電場(chǎng)，當(dāng)短路電流水平超過(guò)25 kA時(shí)，環(huán)網(wǎng)柜將難以放入風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)；另外，短路電流的增加也會(huì)增加35 kV集電線路電纜的熱穩(wěn)定截面，因此，為便于選擇設(shè)備及減少35 kV集電線路電纜截面，需要對(duì)風(fēng)電場(chǎng)匯流升壓變電站35 kV側(cè)采取限制短路電流的措施。為限制35 kV短路電流，可采用高阻抗主變、裝設(shè)限流電抗器、風(fēng)機(jī)采用直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、采用多臺(tái)主變壓器35 kV分段接入各主變等方案。風(fēng)機(jī)的型式(直驅(qū)或雙饋)需根據(jù)招標(biāo)結(jié)果確定，電氣專業(yè)不能強(qiáng)制要求風(fēng)機(jī)采用直驅(qū)型式，本文后續(xù)也將不對(duì)該種降低短路電流措施進(jìn)行詳細(xì)論述。裝設(shè)限流電抗器又可分為在每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)接入主變35 kV之前加裝以及在每臺(tái)風(fēng)機(jī)升壓至35 kV后加裝，在每臺(tái)風(fēng)機(jī)升壓至35 kV后加裝雖然每臺(tái)電抗器的容量小，但是數(shù)量多，安裝地點(diǎn)分散，不利于運(yùn)行維護(hù)，因此一般考慮在每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)接入主變35 kV之前加裝限流電抗器?，F(xiàn)以福建省某風(fēng)電匯流升壓變電站為例，論述高阻抗主變壓器、限流電抗器在匯流升壓變電站中限制短路電流的作用。

2 福建省某風(fēng)電場(chǎng)匯流升壓變電站概況

根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃，福建省某匯流升壓變電站(以下簡(jiǎn)稱匯流變)共建設(shè)1臺(tái)主變，容量為180 MVA，電壓等級(jí)比為220/37 kV，推薦變壓器阻抗為16%，遠(yuǎn)景共有4個(gè)風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)35 kV接入該匯流變，另有兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)升壓站通過(guò)220 kV接入該匯流變，匯流變通過(guò)1回220 kV線路送至電網(wǎng)側(cè)220 kV變電站，220 kV側(cè)母線短路電流為16 kA。4個(gè)35 kV接入的風(fēng)電場(chǎng)中，A風(fēng)電場(chǎng)已投產(chǎn)，B風(fēng)電場(chǎng)可研已審查，C、D風(fēng)電場(chǎng)尚未開(kāi)展。A風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量為17×2 MW，B、C、D風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量均為24×2 MW。A風(fēng)電場(chǎng)35 kV配電裝置及35 kV環(huán)網(wǎng)柜短路電流水平為25 kA，已投產(chǎn)A風(fēng)電場(chǎng)35 kV電纜集電線路截面及長(zhǎng)度分別見(jiàn)表1。

表1 A風(fēng)電場(chǎng)35 kV電纜集電線路截面及長(zhǎng)度

3 三種接線方案介紹

3.1 常規(guī)接線方案

常規(guī)接線方案，主變壓器選擇常規(guī)阻抗為16%，4個(gè)風(fēng)電場(chǎng)均以35 kV電壓等級(jí)直接接入新建匯流變主變35 kV側(cè)，該方案接線示意圖見(jiàn)圖1，等效阻抗圖見(jiàn)圖2。經(jīng)過(guò)計(jì)算，35 kV側(cè)短路電流計(jì)算值約為29.1 kA，對(duì)應(yīng)的35 kV最小熱穩(wěn)定截面為184 mm2，即最小需選擇3×185 mm2電纜，由于A風(fēng)電場(chǎng)35 kV設(shè)備短路電流水平為25 kA，表一中已投產(chǎn)A風(fēng)電場(chǎng)的35 kV集電線路中截面為3×70 mm2與3×150 mm2的電纜不滿足熱穩(wěn)定截面要求，因此需將A風(fēng)電場(chǎng)中截面為3×70 mm2與3×150 mm2的集電線路電纜更換成截面為3×185 mm2電纜，35 kV配電裝置、35 kV環(huán)網(wǎng)柜需更換成短路電流水平為31.5 kA的設(shè)備；由于集電線路電纜截面增加，電纜電容也隨之增加，集電線路單相接地電容電流相應(yīng)增加，接地成套裝置容量也需要增大。在常規(guī)接線方案下，為能滿足短路電流水平及35 kV集電線路電纜最小熱穩(wěn)定截面的要求，B、C、D風(fēng)電場(chǎng)的35 kV配電裝置短路水平應(yīng)為31.5 kA，35 kV集電線路的電纜截面不應(yīng)小于3×185 mm2。

圖1 常規(guī)方案接線示意圖

圖2 常規(guī)方案等效阻抗圖(Sj＝1000 MVA)

3.2 采用高阻抗主變壓器接線方案

該方案將主變壓器的短路阻抗提高做成高阻抗變壓器以此來(lái)限制低壓側(cè)短路電流，經(jīng)咨詢主變壓器廠家，目前220 kV雙繞組變壓器的短路阻抗一般可做到23%，也有運(yùn)行業(yè)績(jī)，至于短路阻抗值更高(＞23%)的220 kV主變壓器，技術(shù)上是可行的，但考慮到缺少運(yùn)行業(yè)績(jī)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，因此一般不予考慮，暫考慮采用短路阻抗為23%的高阻抗主變壓器。該方案接線示意圖見(jiàn)圖3，等效阻抗圖見(jiàn)圖4，經(jīng)過(guò)計(jì)算，35 kV側(cè)短路電流計(jì)算值降為約23.53 kA，對(duì)應(yīng)的35 kV最小熱穩(wěn)定截面為148 mm2，即最小需選擇3×150 mm2電纜，由于A風(fēng)電場(chǎng)35 kV設(shè)備短路電流水平為25 kA，可以滿足要求，表一中已投產(chǎn)A風(fēng)電場(chǎng)的35 kV集電線路中截面為3×70 mm2的電纜不滿足熱穩(wěn)定截面要求，因此需將A風(fēng)電場(chǎng)中截面為3×70 mm2的集電線路電纜更換成截面為3×150 mm2電纜，35 kV配電裝置、35 kV環(huán)網(wǎng)柜無(wú)需更換，由于集電線路電纜截面增加，電纜電容也隨之增加，接地成套裝置容量也需要增大。在高阻抗主變壓器接線方案下，為能滿足短路電流水平及35 kV集電線路電纜最小熱穩(wěn)定截面的要求，B、C、D風(fēng)電場(chǎng)的35 kV配電裝置短路水平可為25 kA，35 kV集電線路的電纜截面不應(yīng)小于3×150 mm2。

圖3 高阻抗主變壓器方案接線示意圖

圖4 高阻抗主變壓器方案等效阻抗圖(Sj＝1000 MVA)

3.3 經(jīng)限流電抗器接入?yún)R流變35 kV側(cè)的接線方案

該方案為A、B、C、D風(fēng)電場(chǎng)分別經(jīng)過(guò)1臺(tái)35 kV限流電抗器接入220 kV匯流變的35 kV側(cè)，該方案接線示意圖見(jiàn)圖5，等效阻抗圖見(jiàn)圖6，經(jīng)過(guò)計(jì)算，37 kV側(cè)d1點(diǎn)短路電流計(jì)算值降為約24.1 kA，d2點(diǎn)短路電流計(jì)算值降為約7.77 kA，d3點(diǎn)短路電流計(jì)算值降為約9.67 kA，即A風(fēng)電場(chǎng)集電線路的短路電流為7.77 kA，對(duì)應(yīng)的35 kV電纜的最小熱穩(wěn)定截面降為49.1 mm2，即最小可選擇3×50 mm2電纜，B、C、D風(fēng)電場(chǎng)集電線路的短路電流為9.67 kA，對(duì)應(yīng)的35 kV電纜的最小熱穩(wěn)定截面為61.1 mm2，即最小可選擇3×70 mm2電纜。由于A風(fēng)電場(chǎng)35 kV設(shè)備短路電流水平為25 kA，35 kV集電線路的最小電纜截面為3×70 mm2，因此，已投產(chǎn)A風(fēng)電場(chǎng)的35 kV設(shè)備及電纜均可滿足改接入?yún)R流變后的要求，無(wú)需更換，且在限流電抗器方案下，B、C、D風(fēng)電場(chǎng)的35 kV配電裝置短路水平可降為25 kA，35 kV集電線路的電纜截面不小于3×70 mm2。

另外，為將本工程35 kV側(cè)短路電流限制在一定水平，還有兩種接線方案：一種接線方案為每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)一臺(tái)專用的220 kV主變壓接至本工程220 kV配電裝置，由于主變壓器在等效阻抗圖上即等效為電抗，可將本工程35 kV分為4段，其限制35 kV短路電流的原理與35 kV限流電抗器方案一致，但本方案采用的220 kV主變數(shù)量多，由于220 kV主變較35 kV限流電抗器成本高，且需增加相應(yīng)數(shù)量的220 kV間隔，因此本方案較35 kV限流電抗器方案在限流作用一致的情況下，增加了大量的投入，因此不考慮每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)單獨(dú)設(shè)置220 kV主變壓器的方案，本文后續(xù)也將不對(duì)該方案進(jìn)行詳細(xì)論述；另一種接線方案為主變采用分裂變的方式，目前雙分裂方案在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)已有較廣泛應(yīng)用，但由于該項(xiàng)目容量較大，為降低35 kV側(cè)短路電流水平，需采用四分裂的主變方案，但四分裂主變?cè)陲L(fēng)電場(chǎng)目前還沒(méi)有業(yè)績(jī)，因此不考慮設(shè)置220 kV分裂主變壓器的方案，本文后續(xù)也將不對(duì)該方案進(jìn)行詳細(xì)論述。

圖5 經(jīng)限流電抗器方案接線示意圖

圖6 經(jīng)限流電抗器方案等效阻抗圖(Sj＝1000 MVA)

4 三種方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析

常規(guī)接線方案：接線布置均可采用常規(guī)的方案，建設(shè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富，但需更換已投產(chǎn)A風(fēng)電場(chǎng)的35 kV配電裝置、35 kV接地成套裝置、35 kV環(huán)網(wǎng)柜及大部分的35 kV集電線路電纜，需A風(fēng)電場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)改造。B、C、D風(fēng)電場(chǎng)的35 kV集電線路最小電纜截面為3×185 mm2，要求的電纜截面大，投資多。

高短路阻抗主變壓器接線方案：該方案主變壓器其造價(jià)高，損耗大，但可不更換A風(fēng)電場(chǎng)的35 kV配電裝置、35 kV環(huán)網(wǎng)柜，不過(guò)需更換A風(fēng)電場(chǎng)的35 kV接地成套裝置及大部分的35 kV集電線路電纜，需A風(fēng)電場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)改造。B、C、D風(fēng)電場(chǎng)的35 kV集電線路最小電纜截面為3×155 mm2，要求的電纜截面較大，投資較多。

經(jīng)限流電抗器接入的接線方案：需增設(shè)4組限流電抗器，增加匯流變無(wú)功補(bǔ)償裝置容量，增加了投資，增加限流電抗器損耗，但對(duì)已投運(yùn)的A風(fēng)電場(chǎng)影響小，無(wú)需更換已投運(yùn)的設(shè)備或電纜，對(duì)B、C、D風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)備短路電流參數(shù)要求較低，35 kV電纜要求熱穩(wěn)定截面小。

風(fēng)電場(chǎng)匯流變?nèi)N接線方案的經(jīng)濟(jì)比較見(jiàn)表1。

根據(jù)以上分析，常規(guī)接線方案雖然建設(shè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富，但常規(guī)接線方案投入總費(fèi)用高，普通接線方案需比經(jīng)35 kV限流電抗器接線方案增加費(fèi)用約2142萬(wàn)元(折現(xiàn)后)，高阻抗主變壓器接線方案35 kV限流電抗器接線方案增加費(fèi)用約1432.3萬(wàn)元(折現(xiàn)后)，增加費(fèi)用數(shù)值大，因此，為節(jié)省工程投資，該匯流變工程應(yīng)采用經(jīng)限流電抗器接線方案。

表1 三種接線方案經(jīng)濟(jì)比較

5 結(jié)語(yǔ)

綜上對(duì)比分析，在風(fēng)電場(chǎng)匯流升壓變電站工程中，為限制35 kV側(cè)短路電流，節(jié)省投資，特別是當(dāng)接入?yún)R流升壓變電站的風(fēng)電場(chǎng)中存在已投運(yùn)的風(fēng)電場(chǎng)時(shí)，為避免更換已投運(yùn)的設(shè)備與電纜，減少已投運(yùn)風(fēng)電場(chǎng)的停運(yùn)改造時(shí)間，在經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后，可采用風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)35 kV限流電抗器接入?yún)R流升壓變電站35 kV 配電裝置的方案。

對(duì)于新建的大容量風(fēng)電場(chǎng)匯流站，可適當(dāng)提高35 kV集電線路的電氣設(shè)備參數(shù)和導(dǎo)線面積，主變采用雙分裂主變壓器的方案，以降低綜合造價(jià)及簡(jiǎn)化接線方式。

[1] 水利電力西北電力設(shè)計(jì)院．電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)(電氣一次部分)[M]．北京：中國(guó)電力出版社，1989．

Short Circuit Current Limiting Measure of 35 kV Systemin Wind Farm Confuent Step-up Substation Fujian

CHEN Zeng-hua1, LIU Ying2, LI Ning- Kai1, WANG Zhi-zhen1
(1. Fujian Electric Power Survey & Design Institute, Fuzhou 350001, China; 2. Fujian YongFu Project Consultant Co. Ltd., Fuzhou 350001, China)

In this paragraph, we make a meticulous comparison about various 35 kV electrical connection of one actual project and we will get the role 35 kV current limiting reactor will play in wind farm.

high impendence transformer; current limiting reactor; wind farm confuent step-up substation; shortcircuit current; thermal stable section area.

TM614

：B

：1671-9913(2017)01-0073-05

2014-08-20

陳增華(1984- )，男，湖南攸縣人，主要從事電力設(shè)計(jì)工作。