孫哲 王廣舉
國網(wǎng)河南禹州市供電公司 461670
摘要:在電力系統(tǒng)的設(shè)計和運行中,不僅要考慮正常工作狀態(tài),而且還必須考慮到發(fā)生故障時所造成的不正常工作狀態(tài)。本文分析了電力系統(tǒng)短路電流的危害,介紹了目前我國常用的一些限制短路電流的方法,并探討了進(jìn)一步提高限制短路電流水平的措施。
關(guān)鍵詞:電力系統(tǒng);短路電流
1 引言
電力系統(tǒng)短路是指供電系統(tǒng)中不等電位的導(dǎo)體在電氣上被短接,如相與相之間的短接,或在中性點接地系統(tǒng)中一相或幾相與大地相接以及三相四線制系統(tǒng)中相與零線的短接等。當(dāng)發(fā)生短路時,電源電壓被短接,短路回路阻抗很小,于是在回路中流通很大的短路電流。三相短路電流計算是電力系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計、運行中必須進(jìn)行的計算分析工作。如果短路電流計算結(jié)果偏于保守,有可能造成不必要的投資浪費,若偏于樂觀則將給系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行埋下災(zāi)難性的隱患。隨著我國電網(wǎng)規(guī)模的快速增加,使短路電流不斷升高,已嚴(yán)重影響到電網(wǎng)的安全運行,這也成為制約電網(wǎng)發(fā)展的重要因素。有預(yù)計指出,三峽電站可能的最大短路電流周期分量將達(dá)300kA,而目前國際上生產(chǎn)的100kA的GIS已是屬最大容量,國內(nèi)尚無此生產(chǎn)能力。因此,限制短路電流是電氣工程設(shè)計者在發(fā)電廠和變電站設(shè)計中經(jīng)常遇到和需要解決的技術(shù)問題。
2 短路電流及其危害
2.1 短路電流
短路電流是電力系統(tǒng)在運行中,相與相之間或相與地(或中性線)之間發(fā)生非正常連接(即短路)時流過的電流。其值可遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于額定電流,并取決于短路點距電源的電氣距離。例如,在發(fā)電機端發(fā)生短路時,流過發(fā)電機的短路電流最大瞬時值可達(dá)額定電流的10~15倍。大容量電力系統(tǒng)中,短路電流可達(dá)數(shù)萬安。這會對電力系統(tǒng)的正常運行造成嚴(yán)重影響和后果。
2.2 短路電流的危害
① 短路電流增大,斷路器、隔離開關(guān)、電流互感器等串接設(shè)備以及母線等設(shè)備需要承擔(dān)大電流沖擊,故必須選擇大容量設(shè)備,且輸電線路也必須要大容量,這就造成設(shè)備投資大大增加。
② 由于短路電流增大,系統(tǒng)單相接地短路電流也隨之增大,這也造成了對通信線路電磁感應(yīng)危害的增加。同時也造成鐵塔附近接觸電壓和跨步電壓的增加,危害人畜生命安全。
③ 短路電流增加,架空導(dǎo)線的溫度也會上升,造成線夾部分過熱,同時也使架空線路故障點損傷加劇,如絕緣子破損、導(dǎo)線熔斷等問題。
因此,在電氣工程設(shè)計中,限制短路電流的目的主要是:① 保證導(dǎo)體和電氣設(shè)備的安全運行,從而保證電網(wǎng)安全、可靠地?fù)屗碗娔?;?使用輕型廉價電器,降低工程投資。
3我國限制電網(wǎng)短路電流的主要方法
目前在電力系統(tǒng)中,用得較多的限制短路電流的方法有以下幾種:
3.1選擇發(fā)電廠和電網(wǎng)的接線方式
通過選擇發(fā)電廠和電網(wǎng)的電氣主接線,可以達(dá)到限制短路電流的目的。
為了限制大電流接地系統(tǒng)的單相接地短路電流,可采用部分變壓器中性點不接地的運行 方式,還可采用星形-星形接線的同容量普通變壓器來代替系統(tǒng)樞紐點的聯(lián)絡(luò)自耦變壓器。
在降壓變電所內(nèi),為了限制中壓和低壓配電裝置中的短路電流,可采用變壓器低壓側(cè)分列運行方式;在輸電線路中,也可采用分列運行的方式。
對環(huán)形供電網(wǎng),可將電網(wǎng)解列運行。
3.2 采用分裂繞組變壓器和分段電抗器
在大容量發(fā)電廠中為限制短路電流可采用低壓側(cè)帶分裂繞組的變壓器,在水電廠擴大單 元機組上也可采用分裂繞組變壓器。
3.3 采用線路電抗器
線路電抗器主要用于發(fā)電廠向電纜電網(wǎng)供電的6~10kV配電裝置中,其作用是限制短路 電流,使電纜網(wǎng)絡(luò)在短路情況下免于過熱,減少所需要的開斷容量。
3.4 采用微機保護(hù)及綜合自動化裝置
從短路電流分析可知,發(fā)生短路故障后約0.01s時間出現(xiàn)最大短路沖擊電流,采用微機保護(hù)僅需0.005s就能斷開故障回路,使導(dǎo)體和設(shè)備避免承受最大短路電流的沖擊,從而達(dá)到限制短路電流的目的。
4限制短路電流的多種措施
4.1 運用FCL限制短路電流
故障電流限制器(FCL,faultcurrentlimiter)是現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的重要元件。使用FCL的優(yōu)越性有:
(1)一般來說,電壓等級越高,故障電流越大,越難以開斷,而FCL的使用可直接減輕斷路器的開斷負(fù)擔(dān)。
(2)快速限制短路電流可減少線路的電壓損耗和發(fā)電機的失步概率,如果能配置恰當(dāng)?shù)南蘖髌?,則系統(tǒng)的功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定都能得到有效的改善,電網(wǎng)和設(shè)備事故也就可得到有效的控制。
(3)目前輸電線路的實際輸送能力均在穩(wěn)定極限以下,如果限流器能在短路電流達(dá)到峰值之前就發(fā)揮作用,大多數(shù)設(shè)備設(shè)計和選用時所要求的熱穩(wěn)定極限及動穩(wěn)定極限就可降低,電網(wǎng)的熱極限及穩(wěn)定極限比也可相應(yīng)減小,從而大大提高了輸電線路的利用率,降低整個電網(wǎng)的投資。
限流熔斷器實現(xiàn)的FCL,要適應(yīng)自動重合閘還有待于自恢復(fù)限流熔斷器的發(fā)展,并且這種方法要求有能承受正常狀態(tài)下CT接線方式而故障狀態(tài)下PT接線方式的變壓器,因此對變壓器的性能要求較高,但此方法最為簡單,開發(fā)周期最短,不失為一種可供參考的方法。若選擇間隙放電式FCL作為原始研究,它的技術(shù)難點在于放電間隙的選擇及如何提高其工作穩(wěn)定性,這種方式的FCL在目前經(jīng)濟技術(shù)的基礎(chǔ)上是最可取的。
4.2 從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采取措施
結(jié)合系統(tǒng)規(guī)劃,從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采取措施可考慮:發(fā)展更高一級電壓電網(wǎng);采用直流聯(lián)網(wǎng);新的大容量電廠要盡量接入最高一級電壓網(wǎng)絡(luò);建設(shè)新的輸電線路時,注意降低網(wǎng)絡(luò)的緊密程度;分區(qū)供電,低壓電網(wǎng)分片運行,多母線分列運行或母線分段運行等。上述各種思路及方法應(yīng)根據(jù)具體網(wǎng)絡(luò)實際情況和技術(shù)經(jīng)濟角度出發(fā)研究制定,并最大限度地保證供電可靠性。
4.3 變壓器中性點加裝小電抗接地
隨著500kV變電站逐漸增多以及500kV自耦變的大量使用,部分500kV廠站220kV側(cè)母線單相短路電流大于三相短路電流,這時可以采取在500kV主變的中性點處加裝小電抗接地,來解決單相短路電流超標(biāo)的問題,但需加裝多大電抗值的小電抗需要從所需限制的短路電流水平、設(shè)備絕緣水平,系統(tǒng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟性等多方面因素來綜合考慮。
4.4 采用限流電抗器
采用串聯(lián)電抗器以增加系統(tǒng)等值阻抗從而限制短路電流在理論上是很有效的,但在實際中,串聯(lián)電抗器大多用于10~35kV電壓電網(wǎng),如發(fā)電廠的廠用電系統(tǒng),或裝在母線上,或裝在電纜出線上,在220kV及以上電壓等級系統(tǒng)中應(yīng)用得比較少,在這方面還要進(jìn)一步加大研究力度。
4.5 各大電網(wǎng)限制短路電流的經(jīng)驗
對于單相短路電流較大的網(wǎng)絡(luò),可以考慮采用變壓器中性點加裝小電抗接地的措施限制短路電流;對于三相短路電流較大的網(wǎng)絡(luò),可以考慮采用高阻抗變壓器的措施限制短路電流。
當(dāng)750kV網(wǎng)架結(jié)構(gòu)比較堅強后,應(yīng)逐步實現(xiàn)分層分區(qū)的運行方式來限制短路電流。
實現(xiàn)變電所母線分列運行是限制短路電流最直接、最有效的方法。
在經(jīng)濟合理與建設(shè)條件可行的前提下,應(yīng)采取將主力電廠直接接入最高一級電壓電網(wǎng)的措施限制短路電流。
5 結(jié)語
總體上看,提高電網(wǎng)的短路電流水平是一個長期而且復(fù)雜的過程,要把短路電流的控制問題落實到規(guī)劃階段,在規(guī)劃中綜合考慮電網(wǎng)和電源的建設(shè)和發(fā)展;同時結(jié)合目前的電力市場改革,研究實施短路電流市場化的方案,并積極推進(jìn)與有關(guān)高校、科研院所合作共同研制新的限制短路電流的設(shè)備。
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