控制上海電網(wǎng)短路電流的若干措施

龐愛莉

（上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院電氣工程系，上海 200240）

1 上海電網(wǎng)短路電流現(xiàn)狀

隨著整個(gè)長(zhǎng)三角地區(qū)電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)聯(lián)系的日益緊密，處于華東電網(wǎng)末端的上海電網(wǎng)短路容量問題越來越突出。2011年迎峰度夏期間，在不采取限制措施的情況下，上海電網(wǎng)共有7個(gè)500kV變電站或電廠母線短路水平越限，其中黃渡、徐行、顧路和楊行站500kV母線三相短路電流，均已超過63kA。

為了限制短路電流，華東和上海500kV電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)需要采取拉停500kV線路以及線路在相關(guān)站內(nèi)出串的運(yùn)行方式調(diào)整措施，2011年迎峰度夏期間上海500kV電網(wǎng)采取“一出串、三拉?！钡膯苇h(huán)運(yùn)行方式，500kV主網(wǎng)方式的調(diào)整措施一方面降低電網(wǎng)可靠性，同時(shí)又增加了運(yùn)行的復(fù)雜程度，特別是在發(fā)生重要線路故障跳閘或者設(shè)備缺陷檢修的情況下，電網(wǎng)調(diào)整難度增加，輸電能力下降，影響系統(tǒng)抗風(fēng)險(xiǎn)的能力。

上海電網(wǎng)220kV電網(wǎng)采取分層分區(qū)的運(yùn)行方式，一方面是為了打開電磁環(huán)網(wǎng)，但更主要是為了控制隨著電力系統(tǒng)發(fā)展、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)而日益增大的系統(tǒng)短路容量。

上海220kV電網(wǎng)分層分區(qū)運(yùn)行后，主要廠站母線的短路電流水平基本得到了有效控制。然而，隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，上海220kV電網(wǎng)短路電流問題日益突出。2011年在上海500kV主網(wǎng)單環(huán)運(yùn)行方式下，楊行220kV母線短路電流正常情況下為51.98kA；徐行分區(qū)內(nèi)部石洞口二廠和石洞口燃機(jī)全開機(jī)方式下，徐行220kV母線短路電流達(dá)到51.49kA。

2 上海電網(wǎng)短路電流發(fā)展趨勢(shì)

隨著華東電網(wǎng)緊密度的提高、上海電網(wǎng)最高負(fù)荷和市內(nèi)裝機(jī)容量的不斷增長(zhǎng)，上海電網(wǎng)的短路電流水平將不斷增大。上海電網(wǎng)雙環(huán)網(wǎng)建成初期曾合環(huán)運(yùn)行，后隨著短路水平的增大，改為開環(huán)運(yùn)行?！笆晃濉逼陂g，隨著外半環(huán)的初步建成，內(nèi)環(huán)網(wǎng)顧路—楊高—南橋—泗涇各線具備了開斷運(yùn)行的可能性，從而改善了上海環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可在不影響供電可靠性的前提下緩解短路電流問題。

“十二五”期間，上海電網(wǎng)將再度面臨各500kV變電站短路電流全面超過開關(guān)遮斷能力的問題，需要進(jìn)一步找到緩解短路電流的措施。如果2013年底特高壓滬西站接入上海電網(wǎng)，導(dǎo)致周邊各主要節(jié)點(diǎn)短路水平提高5～10kA。2014年在上海500kV主網(wǎng)單環(huán)運(yùn)行方式下，徐行500kV母線短路電流將達(dá)到61.9kA；顧路500kV母線短路電流接近60kA；楊行、楊高、練塘、三林、遠(yuǎn)東、亭衛(wèi)均已接近或超過55kA，短路電流控制形勢(shì)十分嚴(yán)峻。

3 控制上海電網(wǎng)短路電流措施

長(zhǎng)三角地區(qū)電網(wǎng)密集、系統(tǒng)聯(lián)系緊湊、電氣距離短，使得整個(gè)長(zhǎng)三角地區(qū)短路電流超標(biāo)問題均十分突出。上海電網(wǎng)處于華東電網(wǎng)的受端位置，是華東地區(qū)乃至全國負(fù)荷密度最高的負(fù)荷中心，作為整個(gè)華東同步電網(wǎng)的一個(gè)有機(jī)組成部分，上海電網(wǎng)的短路電流與周邊蘇南、浙北電網(wǎng)均存在較大的相互影響，控制短路電流的根本措施需要在整個(gè)華東區(qū)域乃至更大范圍進(jìn)行網(wǎng)架優(yōu)化。

目前，解決短路電流過大的對(duì)策主要有以下幾方面。

1）嚴(yán)格控制電源接入系統(tǒng)方式 新增發(fā)電機(jī)組的接入，是目前電網(wǎng)短路電流不斷上升的主要因素之一，因此嚴(yán)格控制電源接入系統(tǒng)方式，有利于短路電流的控制。一方面對(duì)于發(fā)電機(jī)組接入系統(tǒng)的電壓等級(jí)需要合理選取，在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，盡可能地增加機(jī)組接入系統(tǒng)的阻抗，如將600MW甚至1GW機(jī)組接入220kV電網(wǎng)，或者適當(dāng)提高機(jī)組和升壓變阻抗，在保障電網(wǎng)和機(jī)組安全的基礎(chǔ)上，減少機(jī)組送入電網(wǎng)的短路電流。

2）調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式 系統(tǒng)聯(lián)系緊密程度提高，是短路電流水平增大的另一個(gè)主要原因，適當(dāng)改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)限制短路電流，是較易實(shí)施也是較為經(jīng)濟(jì)的方法之一，但會(huì)在一定程度上影響電網(wǎng)的可靠性。

近階段，上海電網(wǎng)采用拉停500kV線路、線路在變電站內(nèi)出串運(yùn)行，甚至斷開500kV環(huán)網(wǎng)等運(yùn)行方式的調(diào)整措施，雖然在短期內(nèi)可以達(dá)到控制系統(tǒng)短路電流的目的，但同時(shí)會(huì)犧牲電網(wǎng)的供電可靠性。根據(jù)“十二五”規(guī)劃，近期將實(shí)施的泗涇—黃渡線路改造工程，通過優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，使500kV電網(wǎng)潮流更趨合理，可在保障上海電網(wǎng)雙環(huán)運(yùn)行的前提下，取得控制上海局部電網(wǎng)短路電流的效果。

3）加裝串聯(lián)電抗器 在線路上加裝串聯(lián)電抗器相當(dāng)于增加系統(tǒng)的阻抗，由此可限制局部地區(qū)電網(wǎng)的短路電流。但受設(shè)備制造水平的限制，串聯(lián)電抗器工作電流可能無法與容量輸送要求較大的線路匹配，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定和靈活運(yùn)行也造成一定影響。2008年上海電網(wǎng)投產(chǎn)500kV黃渡—泗涇雙線串抗，保障了“十一五”期間上海500kV環(huán)網(wǎng)（部分單環(huán)）運(yùn)行?！笆濉逼陂g，根據(jù)規(guī)劃，將于近期實(shí)施楊行—外高橋二廠雙線加裝串抗工程，適當(dāng)緩解地區(qū)電網(wǎng)短路電流超標(biāo)問題。

4）加裝短路電流限制器（FCL） FCL在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)呈現(xiàn)零阻抗或低阻抗，故障時(shí)阻抗增加，對(duì)電網(wǎng)正常運(yùn)行無影響，可以有效解決短路電流超標(biāo)問題，但是該設(shè)備工作電流與串聯(lián)電抗器相比可能更低，可適用范圍更?。?－3]。目前，國內(nèi)僅在浙江500kV瓶窯—杭北單回線路上有該運(yùn)行設(shè)備（2009年底投運(yùn)），屬華東500kV超高壓電網(wǎng)故障電流限制器示范工程，在其他地區(qū)尚無應(yīng)用先例，設(shè)備運(yùn)行性能和運(yùn)行效果有待進(jìn)一步驗(yàn)證。由于該類型的FCL本質(zhì)還是通過串聯(lián)電抗控制短路電流，因此存在設(shè)備制造水平難以滿足上海地區(qū)的容量需求的問題。

5）采用直流背靠背技術(shù) 直流輸電只輸送有功功率而不輸送無功功率，而短路電流多半為無功電流，系統(tǒng)中如裝機(jī)容量增加，而在交流系統(tǒng)中部分采用直流系統(tǒng)，短路電流可以不增加。對(duì)已有的交流系統(tǒng)，若通過直流系統(tǒng)把交流系統(tǒng)適當(dāng)分片，即選擇在同一地點(diǎn)裝設(shè)整流、逆變換流裝置，將兩換流裝置連接起來而毋需架設(shè)直流輸電線路，也即采用直流背靠背聯(lián)接，可以很好地起到限制交流短路電流的作用［4－5]。

但是，采用直流背靠背方式投資大，且容易在電網(wǎng)內(nèi)部形成交直流互聯(lián)系統(tǒng)，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式十分復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定造成一定影響。由于直流在上海電網(wǎng)的電源中占有較大比例，因此從上海電網(wǎng)安全角度考慮，不宜采用該措施。

6）采用高阻抗變壓器 通過增加系統(tǒng)阻抗限制短路電流。由于長(zhǎng)三角地區(qū)負(fù)荷密度高、電網(wǎng)聯(lián)系緊密，適當(dāng)提高大容量發(fā)電機(jī)升壓變阻抗值對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性不會(huì)有太大影響。目前，上海電網(wǎng)內(nèi)新建500kV變電站均采用高阻抗變壓器，“十一五”期間練塘、亭衛(wèi)、遠(yuǎn)東等500kV新建變電站變壓器阻抗均為18%。為限制發(fā)電廠提供的短路電流，對(duì)于新接入上海電網(wǎng)的大型發(fā)電機(jī)組優(yōu)先考慮以220kV電壓等級(jí)接入和采用高阻抗變壓器，并已在新版上海電網(wǎng)若干技術(shù)原則修訂時(shí)明確體現(xiàn)，作為常規(guī)要求實(shí)施。

7）發(fā)展更高一級(jí)電壓電網(wǎng) 在相同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下，各種限制短路電流的措施只能緩解短路電流問題，隨著裝機(jī)容量的不斷增加，調(diào)整網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、縮減相對(duì)獨(dú)立電網(wǎng)的規(guī)模才能從根本上解決問題。引入更高一級(jí)電壓、將現(xiàn)有電網(wǎng)分片運(yùn)行是從根本上解決短路電流問題的有效措施。早在20世紀(jì)80年代末，為解決220kV短路電流問題，上海電網(wǎng)引入了500kV電壓等級(jí)，并隨著500kV網(wǎng)架的加強(qiáng)，逐步對(duì)220kV電網(wǎng)實(shí)行分層分區(qū)運(yùn)行，有效控制了220kV電網(wǎng)的短路容量。

目前，上海電網(wǎng)已根據(jù)特高壓電網(wǎng)規(guī)劃制定了遠(yuǎn)景電網(wǎng)飽和網(wǎng)架規(guī)劃，可結(jié)合特高壓網(wǎng)架的構(gòu)建實(shí)現(xiàn)上海500kV電網(wǎng)分區(qū)運(yùn)行，有效控制遠(yuǎn)景的短路電流水平。

4 結(jié)語

短路電流上升，是城市和電網(wǎng)不斷發(fā)展帶來的必然結(jié)果。遠(yuǎn)景在全接線運(yùn)行方式下，整個(gè)華東電網(wǎng)絕大部分的500kV站點(diǎn)的短路電流都將超標(biāo)或接近斷路器的開斷能力，上海電網(wǎng)短路電流超標(biāo)問題將日益突出，采取有效的短路電流控制措施，將有助于上海電網(wǎng)更加安全穩(wěn)定的發(fā)展。

［1]CHOI S S，WANG T X，MAHINDA V D.A Series Compensator with Fault Current Limiting Function ［J].IEEE Trans.on Power Delivery，2005，7（3）：2248－2256.

［2]周雪松，等.故障限流裝置的發(fā)展和應(yīng)用［J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2004，11（19）：1－5.

［3]孫樹敏，等.電力系統(tǒng)故障限流器研究綜述［J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，（21）：75－79.

［4]吳荻，等.背靠背直流輸電系統(tǒng)限制短路電流的研究［J].供用電，2005，（4）：5－7.

［5]A.E.Hammad，W.F.Long.Performance and economic comparisons between point－to－point HVDC transmission and hybrid back－to－back HVDC／AC transmission［J].IEEE Transactions on Power Delivery，1990，5（2）：1137－1144.