電網(wǎng)短路電流限制措施優(yōu)劣對比

李 華，商文穎，南 哲，張曉天，朱赫炎

(國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟技術研究院，遼寧 沈陽 110015)

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輸變電技術

電網(wǎng)短路電流限制措施優(yōu)劣對比

李 華，商文穎，南 哲，張曉天，朱赫炎

(國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟技術研究院，遼寧 沈陽 110015)

近年來，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，區(qū)域短路電流問題變得越來越突出。短路電流問題的頻繁出現(xiàn)將會給電網(wǎng)帶來一系列危害。從電網(wǎng)設備、變電站結構、電網(wǎng)結構等多方面分析了限制短路電流的措施，并深入分析其優(yōu)缺點，研究其在實際應用中的適應性和未來發(fā)展方向。 最后，通過沈陽地區(qū)“十三五”期間限流方案有關計算結果論證研究的有效性及合理性。

短路；措施；電網(wǎng)結構；遮斷容量

近年來隨著電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大，短路電流問題也越來越突出，已經(jīng)成為電力系統(tǒng)規(guī)劃、設計、運行工作面臨的重要問題。 在沒有限制的情況下，遼寧電網(wǎng)存在短路電流超標問題，某些地區(qū)已經(jīng)分區(qū)運行。

隨著遼寧電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，遼寧地區(qū)短路電流超標問題將越來越嚴重，必須消除短路電流快速增長對系統(tǒng)運行安全的不利影響。可從電網(wǎng)結構、變電站結構、電網(wǎng)設備等方面采取各種措施來限制短路電流。

本文介紹了目前主要的短路電流限制措施,分析了各類限流措施對220 kV分區(qū)電網(wǎng)短路電流限制的效果及優(yōu)劣, 最后以沈陽電網(wǎng)為例, 對其短路電流限制措施進行了研究。

1 短路電流的危害

根據(jù)短路的類型、位置和持續(xù)時間不同，短路的后果可能僅損害局部區(qū)域正常供電，也可能威脅到整個系統(tǒng)的安全[1]，短路危害主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

a. 在短路點附近的支路中會出現(xiàn)超出正常值許多倍的電流。由于短路電流的電動力效應，在導體之間將產(chǎn)生大的機械應力，這將損壞導體及其支架。

b. 當短路持續(xù)時間較長時，短路電流會導致設備升溫，設備可能會過熱損壞。

c. 短路時系統(tǒng)電壓明顯下降，電機的電磁轉(zhuǎn)矩明顯降低，轉(zhuǎn)速下降。 當電壓明顯下降時，

電機

[10] 蔣佳良,晁 勤,陳建偉，等.不同分電機組的頻率響應特性仿真分析[J].可再生能源，2010,28(3):24-28.

甚至可能停機，導致產(chǎn)品損壞、設備損壞等嚴重后果。

d. 當短路點距離電源較近且持續(xù)時間較長時，并聯(lián)運行的發(fā)電廠可能失去同步，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，導致大面積的電力中斷。 這是短路故障最嚴重的后果。

e. 在不對稱短路故障的情況下，不平衡電流可以產(chǎn)生足夠的磁通量以在相鄰電路中感應出較大的電動勢，這可能嚴重影響在高壓電力線附近的通信線路或鐵路信號系統(tǒng)。

2 短路電流限制措施及優(yōu)劣分析

2.1 合理規(guī)劃電網(wǎng)結構

從某個角度來看，電網(wǎng)的持續(xù)發(fā)展歷程也是高電壓等級不斷提高，不斷對低電壓等級進行合理分區(qū)的過程。根據(jù)電壓等級將電力系統(tǒng)分為若干結構層次，在不同層次根據(jù)供電能力分為多個區(qū)域，為每個區(qū)域電力負荷安排適當?shù)墓╇?，形成一個基本平衡的供需關系，電網(wǎng)結構合理是電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的基礎[2]，分區(qū)電網(wǎng)結構模式如圖1所示。

(a)電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)前

(b)電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)后圖1 分區(qū)電網(wǎng)結構模式

2.1.1 分層分區(qū)的優(yōu)點

a. 易于穩(wěn)定控制。在分區(qū)網(wǎng)絡中發(fā)生故障，往往切除故障元件，再輔以有效的事故處理手段，即可平息事態(tài)發(fā)展。

b. 控制潮流方便。分區(qū)運行時，可以通過調(diào)整電源有功功率或功率角和電源的無功功率或電壓，以達到潮流調(diào)整的目的， 不太可能出現(xiàn)部分元件的功率過載或部分元件空置的情況。

c. 空置短路容量。合環(huán)運行，綜合阻抗往往較小，短路容量較大。環(huán)網(wǎng)開環(huán)運行是限制短路容量的重要手段。

d. 簡化安全自動及繼電保護裝置。環(huán)網(wǎng)中的穩(wěn)定措施和繼電保護配置比非環(huán)網(wǎng)中的配置要復雜很多。安全和保護自動裝置的復雜性和不一致性通常是事故產(chǎn)生的直接原因。

2.1.2 分層分區(qū)的缺點

a.電力系統(tǒng)發(fā)展過程中電網(wǎng)逐漸分層分區(qū)，只有當高一級電壓電網(wǎng)發(fā)展到一定程度時，才能將低一級電壓電網(wǎng)按供電區(qū)解列分片運行。很多地區(qū)分層分區(qū)運行的條件并不完全成熟。

b.電網(wǎng)實現(xiàn)分區(qū)運行以后，分期電網(wǎng)之間的連接斷開，削減了電網(wǎng)結構，明顯降低了供電可靠性。局部區(qū)域聯(lián)絡線變成供電瓶頸，使得在正常運行期間功率輸出和受入均存在限制。而斷線也可能導致一些變電站運行電壓低[3]。

2.2 變電站母線分列運行

通過將220 kV低壓母線分為2段后，系統(tǒng)阻抗增大，從而有效地限制220 kV低壓側的短路電流，500 kV變電站220 kV母線分列運行模式如圖2所示。這是最經(jīng)濟、最簡單、最有效的一種限制短路電流的手段。由于母線分段運行是采用改變系統(tǒng)聯(lián)系和結構的辦法，將降低電網(wǎng)安全裕度和運行靈活性。

圖2 500 kV變電站220 kV母線分列運行模式

2.3 采用高阻抗設備

對暫態(tài)穩(wěn)定不是主要矛盾的電網(wǎng)采用高阻抗設備可以增大系統(tǒng)阻抗，達到限制短路電流的目的，需要從發(fā)、變電各環(huán)節(jié)同時采取措施才能取得較好效果，設備分為高阻抗變壓器和發(fā)電機[4]。

采用高阻抗設備的優(yōu)點：發(fā)電設備通過采用高阻抗發(fā)電機、升壓變以及采用單元制接線接入電網(wǎng)，可以有效控制地區(qū)的短路電流；采用高阻抗變壓器可以有效控制下一級電網(wǎng)短路電流，并且由于機器小型化，勵磁損耗、鐵損、風損等空載損耗變小，勵磁機容量減小。

采用高阻抗設備的缺點: 電廠無功是系統(tǒng)重要的動態(tài)無功電源，提高電廠接入系統(tǒng)的阻抗值，將削弱電廠在電壓穩(wěn)定事故中電壓支撐的重要作用，同時也不利于電廠調(diào)壓和保證送電的可靠性；采用高阻抗變壓器，應配置足夠的電容器容量，以補償高阻抗帶來的電壓損耗與無功損耗，這將增加變電站的投資。

2.4 采用高遮斷容量斷路器設備

對于地區(qū)短路電流水平在合理范圍，單個設備短路電流水平過高的情況，將現(xiàn)有斷路器及配套的電氣設備更換為遮斷容量更大的設備是應對短路電流過大比較直接的方法。目前，我國已經(jīng)在220 kV以及550 kV電網(wǎng)中大量推行該方式，并獲得了較好的應用效果。在我國500 kV或220 kV電網(wǎng)采用50 kA的設備已經(jīng)相當普遍，63 kA的設備也不少見[5]。

采用高遮斷容量斷路器設備的優(yōu)點：利用設備所具有的電流限制功能對短路電流的產(chǎn)生進行限制，避免了降低電網(wǎng)可靠性靈活性的缺點。

采用高遮斷容量斷路器設備的缺點：設備造價相對較高，以220 kV斷路器為例，63 kA 的斷路器比50 kA斷路器價格約貴6萬元，且對于現(xiàn)有變電站的改造有一定難度。

2.5 采用直流輸電系統(tǒng)

直流輸電系統(tǒng)主要由換流變壓器、整流器、逆變器和直流線路等直流設備組成。采用直流聯(lián)網(wǎng)或直流輸電對交流系統(tǒng)進行分區(qū)，將電網(wǎng)分成相對獨立的幾個交流系統(tǒng)，避免系統(tǒng)間相互注入短路電流，可起到控制交流電網(wǎng)短路電流的作用[6]，直流輸電系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 直流輸電系統(tǒng)原理圖

采用直流輸電系統(tǒng)的優(yōu)點：定電流調(diào)節(jié)是直流輸電系統(tǒng)的基本調(diào)節(jié)方式，通過換流器觸發(fā)相位的控制，直流輸電系統(tǒng)可以實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)，自動保持電流為定值，避免因直流電流劇烈變化對交直流電網(wǎng)安全運行的影響。

采用直流輸電系統(tǒng)的缺點：這種方法需要直流背靠背換流站具有較大的換流容量，直流背靠背大容量設備需要較大的投資，并且直流系統(tǒng)之間存在交互問題。需要進一步研究許多直流背靠背與交流電網(wǎng)協(xié)調(diào)運行技術特點及投資優(yōu)化情況，直流背靠背現(xiàn)在還不能完全發(fā)揮短路電流的限制作用。

3 實例分析

以沈陽電網(wǎng)為例，分析電網(wǎng)建設對地區(qū)電網(wǎng)帶來的新的短路問題，結合地區(qū)網(wǎng)架情況、地區(qū)負荷水平、運行情況等多個因素，選取適當?shù)南拗贫搪冯娏鞔胧诓挥绊懓踩煽抗╇姷那疤嵯?，解決地區(qū)短路電流超標問題。

沈陽地區(qū)電網(wǎng)位于遼寧中部，是一個受端網(wǎng)絡，是遼寧中部電網(wǎng)的重要組成部分。沈陽電網(wǎng)西部與錦州、阜新、通遼電網(wǎng)相連，北部與吉林和鐵嶺電網(wǎng)相連；南部與遼陽、鞍山、營口電網(wǎng)相連；東部與本溪、撫順電網(wǎng)相連。

“十二五”期間沈陽電網(wǎng)發(fā)展較快，有多座500 kV和220 kV變電站投運，地區(qū)短路電流水平受到較大影響，主要情況見表1。

表1 沈陽地區(qū)負荷預測

通過這些措施，將沈陽電網(wǎng)短路電流水平控制在合理范圍內(nèi)，并且各分區(qū)保證可靠供電。

4 結論

短路電流對電網(wǎng)的規(guī)劃和設計有重大影響，結合電網(wǎng)規(guī)劃建設，應合理采用各種限制電網(wǎng)短路電流措施抑制短路電流水平增長過快的勢頭。本文對限制220 kV 電網(wǎng)短路電流水平的各類措施進行詳細研究，分析其優(yōu)缺點及適用情況，并將其應用到沈陽電網(wǎng)的短路電流分析中，得到如下結論。

a. 調(diào)整電網(wǎng)運行方式是抑制電網(wǎng)短路電流最為便捷的手段, 但會以降低電網(wǎng)的供電能力為代價，需要結合地區(qū)供電能力合理使用。

b. 電網(wǎng)分層分區(qū)可以有效控制短路電流水平，應結合地區(qū)電網(wǎng)發(fā)展水平，逐漸形成電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)運行。

c. 直流輸電由于自身的運行特點，對限制短路電流有顯著的優(yōu)勢，可以根據(jù)地區(qū)電網(wǎng)情況，發(fā)展系統(tǒng)間直流互聯(lián)。

d. 選擇高阻抗設備可以降低短路電流，但會增加電網(wǎng)的無功損耗,降低電網(wǎng)的動態(tài)無功備用容量, 影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

e. 對于單個設備短路電流水平過高的情況，將現(xiàn)有斷路器及配套的電氣設備更換為遮斷容量更大的設備是應對短路電流過大比較直接的方法。

[1] 靳 希，段開元，張文青. 電網(wǎng)短路電流的限制措施[J]. 電力科學與技術學報，2008，23(4)：78-82.

[2] 李春葉，李 勝，尚敬福，等.電磁環(huán)網(wǎng)方式與分層分區(qū)運行方式之決策[J].電力學報，2006，21(2):160-163.

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[5] 韓 戈，韓 柳，吳 琳.各種限制電網(wǎng)短路電流措施的應用與發(fā)展[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010, 38(1)：141-144, 151.

[6] 李 華.柔性直流輸電在城市電網(wǎng)中的應用探討[J].東北電力技術, 2012, 33(2):11-14, 20.

作者簡介：

李 華(1986)，女，碩士，工程師，主要研究方向為輸電網(wǎng)規(guī)劃。

(收稿日期 2017-03-01)

Comparison of Short-Circuit Current Limitation Measures in Power Network

LI Hua, SHANG Wenying, NAN Zhe, ZHANG Xiaotian, ZHU Heyan

(State Grid Liaoning Electric Power Company Limited Economic Research Institute, Shenyang，Liaoning 110015, China)

The scale of the power system continues to expand at the same time, the regional power network short-circuit current problem is more and more prominent.Short circuit current will increase too fast to bring a series of hazards to the grid. In this paper, various measures to limit the short-circuit current are analyzed from the aspects of grid structure, substation structure and power grid equipment. The advantages and disadvantages of each method are analyzed, and their application in time and future development direction are studied. Finally, the validity and rationality of the calculation results of the current limiting scheme during the 13th five-years plan period in Shenyang area of Liaoning province are discussed.

short-circuit; current ;limiting measures ;power grid mechanism

TM713

A

1004-7913(2017)05-0048-03

李冬雪(1980)，女，博士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設計研究。

2017-03-01)