電力系統(tǒng)中短路電流的危害問題與對策

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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