河北省南部電網(wǎng)短路電流分析及限制措施

李曉明，趙琛瓏，段曉波，王 穎

(河北省電力研究院，石家莊 050021)

1 概述

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電源容量的快速增長(zhǎng)，河北省南部電網(wǎng)(簡(jiǎn)稱“河北南網(wǎng)”)短路電流水平增長(zhǎng)迅速，部分變電站短路電流已接近現(xiàn)有設(shè)備的額定遮斷容量。短路電流超標(biāo)已成為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、電源和變電站接入的一個(gè)制約因素，不利于電網(wǎng)規(guī)劃和發(fā)展。根據(jù)河北南網(wǎng)2010年規(guī)劃方案，對(duì)河北南網(wǎng)全網(wǎng)500 kV/220 kV母線三相、單相短路電流進(jìn)行了計(jì)算。根據(jù)現(xiàn)有斷路器最大遮斷容量標(biāo)準(zhǔn)，可認(rèn)為變電站500 kV側(cè)母線短路限制水平為63 kA，220 kV側(cè)母線短路限制水平為50 kA。當(dāng)計(jì)算結(jié)果超過(guò)上述數(shù)值時(shí)，即認(rèn)為該變電站短路電流水平超標(biāo)?，F(xiàn)階段河北南網(wǎng)短路電流問(wèn)題主要存在于500 kV樞紐變電站，因此表1只列出了500 kV變電站的短路電流計(jì)算結(jié)果。

表1 500 kV變電站短路電流計(jì)算結(jié)果 kA

由表1可知，2010年河北南網(wǎng)500 kV/220 kV母線短路電流水平將增長(zhǎng)迅速，但均未超出斷路器額定遮斷電流。其中，500 kV側(cè)短路電流最高的為石北變電站，三相短路電流為55.4 kA。220 kV側(cè)短路電流，廉州三相/單相、清苑單相短路電流均已超過(guò)49 kA，存在超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。另外，還有5座變電站三相或單相短路電流達(dá)45 kA以上，需要密切關(guān)注。

2 河北南網(wǎng)短路電流快速上升的原因

a. 電源大規(guī)模集中接入。河北南網(wǎng)內(nèi)部及區(qū)外受電的大型電源落點(diǎn)集中在沿京廣線的保定-石家莊-邢臺(tái)-邯鄲南北電力主干通道上，造成保北、清苑、石北、廉州、藺河等變電站短路電流偏高[1]。電源大規(guī)模集中接入雖然緩解了河北南網(wǎng)長(zhǎng)期缺電的局面、提高了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定水平，但也是造成河北南網(wǎng)短路電流水平快速上升的主要原因。

b. 500 kV/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行。電磁環(huán)網(wǎng)在電網(wǎng)發(fā)展初期，對(duì)于提高電網(wǎng)運(yùn)行可靠性、獲取最大的輸送能力有其積極意義。但當(dāng)500 kV網(wǎng)架得到加強(qiáng)后，電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行又會(huì)造成500 kV、220 kV變電站短路電流過(guò)大的問(wèn)題。目前河北南網(wǎng)邢石、邢衡電磁環(huán)網(wǎng)已解開；石保之間，邯邢之間，保定、衡水和滄州電網(wǎng)之間仍然維持電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行。

c. 地區(qū)內(nèi)部電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不清晰。電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的合理配置不但是系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，也是限制短路電流水平的基礎(chǔ)。目前，河北南網(wǎng)部分地區(qū)500 kV變電站供電范圍不明確，使得220 kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不夠清晰，單環(huán)網(wǎng)、雙環(huán)網(wǎng)、環(huán)套環(huán)網(wǎng)、地區(qū)內(nèi)部電磁環(huán)網(wǎng)也是短路電流上升的原因之一。

d. 變壓器設(shè)計(jì)臺(tái)數(shù)及設(shè)備選型不合理。河北南網(wǎng)各級(jí)變電站規(guī)劃設(shè)計(jì)臺(tái)數(shù)較多、布點(diǎn)較少，且主要為低阻抗主變壓器，另外，由于500 kV變電站均為自耦變壓器，高中阻抗較小，這些都造成了系統(tǒng)短路電流偏高。

e. 500 kV變電站的大容量主變壓器與220 kV側(cè)的大電源接入同時(shí)存在也是河北南網(wǎng)部分地區(qū)220 kV電網(wǎng)短路電流快速上升的重要因素。

3 河北南網(wǎng)限制短路電流的措施

3.1 合理規(guī)劃大型電源的接入方式

河北南網(wǎng)大多數(shù)電廠通過(guò)高壓母線并入電網(wǎng)，考慮到降低短路電流的需要，建議新建電廠適當(dāng)提高升壓變壓器阻抗，增加單元制接線接入系統(tǒng)方式[2]，以降低系統(tǒng)短路電流水平；若新建機(jī)組容量稍大，近區(qū)負(fù)荷不能消納，可接入500 kV電網(wǎng)，對(duì)控制近區(qū)220 kV短路電流大有益處；區(qū)外受電及大型電源落點(diǎn)應(yīng)分散接入500 kV主干電網(wǎng)，可分散短路容量，避免某一點(diǎn)短路容量過(guò)大。

3.2 優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分層分區(qū)運(yùn)行

結(jié)構(gòu)合理的網(wǎng)架是改善和解決短路電流問(wèn)題的有利條件。500 kV網(wǎng)架結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足如下要求： 500 kV變電站接入電源不宜太多，一般不超過(guò)2 400 MW； 500 kV出線回路不宜太多，一般不超過(guò)6～8回，輸入和輸出容量應(yīng)該平衡；主變壓器臺(tái)數(shù)不宜太多，一般不宜超過(guò)3臺(tái)，總?cè)萘坎灰颂螅?220 kV側(cè)接入的電源容量不宜太多；盡量避免電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行。

500 kV主干網(wǎng)加強(qiáng)后，逐步解開500 kV/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)，形成以500 kV變電站為中心的供電區(qū)。供電區(qū)內(nèi)220 kV電網(wǎng)宜形成花瓣型局部環(huán)網(wǎng)或呈雙回放射狀，各局部環(huán)網(wǎng)之間不要互聯(lián)；供電區(qū)內(nèi)220 kV發(fā)電容量并網(wǎng)點(diǎn)不宜過(guò)于集中，需經(jīng)論證合理后再投入負(fù)荷；供電區(qū)內(nèi)逐步形成以220 kV變電站為中心的供電小區(qū)。

3.3 增大零序阻抗，減小單相短路電流

增大零序阻抗，減小單相短路電流，需要采取以下措施：500 kV主變壓器中性點(diǎn)裝設(shè)小電抗；減少220 kV變壓器中性點(diǎn)接地?cái)?shù)量，如靠近500 kV變電站電氣距離較近的220 kV變電站經(jīng)計(jì)算論證可以不接地，放射式終端220 kV變電站可以不接地； 500 kV變電站主變壓器采用全星形變壓器，弊端是不利于保護(hù)整定和諧波處理。

針對(duì)清苑站220 kV母線單相短路電流偏高的問(wèn)題，可采取在清苑主變壓器中性點(diǎn)加裝5 V小電抗措施。采取該措施后，清苑主變壓器220 kV母線單相短路電流由49.6 kA降為42.3 kA，有效解決了單相短路電流偏高的問(wèn)題。

電抗值過(guò)大有可能發(fā)生過(guò)電壓和不滿足絕緣要求的問(wèn)題。變壓器中性點(diǎn)加裝的電抗要適宜，只要使單相短路電流降至三相短路電流之下便可。

3.4 采用高阻抗變壓器

500 kV變電站采用普通三繞組變壓器或采用高阻抗的自耦變壓器。普通三繞組變壓器高中阻抗較自耦變壓器大，可以有效的限制220 kV側(cè)的三相短路電流和單相短路電流，在這方面河北南網(wǎng)已有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，但變壓器的造價(jià)較高。河北南網(wǎng)早期的220 kV變電站由于均為自耦變壓器，出現(xiàn)了110 kV側(cè)短路電流過(guò)大問(wèn)題，將自耦變壓器改造為三繞組變壓器后，有效遏止了110 kV側(cè)短路電流的上升，后期及現(xiàn)有的220 kV變電站均采用了三繞組變壓器，110 kV側(cè)短路電流過(guò)大問(wèn)題較少出現(xiàn)。采用高阻抗自耦變壓器也可以減小220 kV側(cè)短路電流。

高阻抗變壓器對(duì)系統(tǒng)無(wú)功電壓、損耗、電壓穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定有不利影響，因此在選擇是否采用高阻抗變壓器時(shí)，需要綜合考慮系統(tǒng)的短路電流、無(wú)功電壓和系統(tǒng)穩(wěn)定問(wèn)題[3-5]。

3.5 500 kV變電站220 kV側(cè)分列運(yùn)行

打開500 kV變電站220 kV側(cè)母線分段斷路器，使主變壓器分列運(yùn)行，可減少220 kV側(cè)短路電流。同時(shí)，主變壓器分列運(yùn)行也降低了電網(wǎng)供電可靠性和穩(wěn)定性，需經(jīng)潮流穩(wěn)定計(jì)算校核。

4 典型案例分析

石家莊地區(qū)電網(wǎng)聯(lián)系緊密，電源接入容量大，造成了廉州及周邊220 kV電網(wǎng)短路電流偏高。圖1為廉州供電區(qū)示意圖。

圖1 廉州供電區(qū)示意

針對(duì)500 kV廉州變電站220 kV側(cè)短路電流過(guò)高的問(wèn)題，綜合以上限制短路電流的措施，可對(duì)廉州變電站采取如下措施：斷開上安-大河雙回；斷開廉州-里豐；斷開系井-東寺，新建廉州-系井第二回；打開220 kV母線分段斷路器。表2為采取限流措施前后廉州220 kV母線短路電流情況。

表2 采取限流措施前后廉州短路電流水平計(jì)算結(jié)果kA

由表2可知，采取4種控制短路電流措施后，均可使廉州220 kV母線短路電流有所降低。其中，廉州220 kV母線分段使短路電流下降最多，但2010年廉州站只有2臺(tái)主變壓器，如果分段運(yùn)行后，2臺(tái)主變壓器負(fù)荷分配很不均勻，1臺(tái)主變壓器停運(yùn)，部分聯(lián)絡(luò)線路重載；斷開上安-大河雙回可使廉州220 kV側(cè)短路電流略有下降，但如果采取該措施后，因規(guī)劃中的橋西站并未由上安直供，將造成上安-銅冶雙回線路負(fù)載較重，不滿足N-1熱穩(wěn)定校驗(yàn)；采取斷開廉州-里豐和斷開系井-東寺、新建廉州-系井第二回2種措施均可使廉州220 kV短路電流有較為顯著的降低。針對(duì)以上4種限制廉州短路電流的措施，結(jié)合潮流計(jì)算結(jié)果，考慮工程量以及地區(qū)電網(wǎng)分區(qū)規(guī)劃，建議2010年首先采取斷開廉州-里豐措施，限制短路電流。

5 結(jié)束語(yǔ)

以上綜合分析了河北南網(wǎng)短路電流快速上升的原因，并提出限制短路電流的措施。針對(duì)2010年廉州和清苑變電站220 kV母線短路電流偏高的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)計(jì)算，建議分別采取斷廉州-里豐220 kV線路、清苑主變中性點(diǎn)裝設(shè)小電抗措施，以限制2座變電站的短路電流。 控制短路電流是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，必須從規(guī)劃階段開始，將網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、電源建設(shè)、電器設(shè)備的選型和系統(tǒng)運(yùn)行方式進(jìn)行綜合研究，才能制定合理控制措施，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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