電網(wǎng)短路電流限制措施的研究與應(yīng)用

謝大為 劉玉娟 雷霆

摘要 針對(duì)短路電流超標(biāo)的問(wèn)題，研究分析了包括改變系統(tǒng)運(yùn)行方式、改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、采用高阻抗變壓器、故障電流限制器等在內(nèi)的多種短路電流限制措施在電網(wǎng)中的應(yīng)用情況，并依據(jù)短路電流限制措施的仿真，對(duì)比提出適應(yīng)電網(wǎng)實(shí)際情況的短路電流限制措施.關(guān)鍵詞短路電流；限制措施；運(yùn)行方式

中圖分類號(hào) TM732

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要保障之一的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不斷加強(qiáng).特高壓交直流電網(wǎng)的快速發(fā)展，500 kV主干網(wǎng)絡(luò)日趨成形，220 kV區(qū)域電網(wǎng)聯(lián)系的逐步緊密，電源點(diǎn)逐漸增多，都使得電網(wǎng)中短路電流水平進(jìn)一步上升.如不加以合理的規(guī)劃和管控，將影響到電網(wǎng)的安全運(yùn)行與發(fā)展，同時(shí)也將影響到電網(wǎng)發(fā)供送電能力.因此，如何將短路電流限制在合理的范圍內(nèi)，使其與電網(wǎng)的發(fā)展相適應(yīng)，已經(jīng)成為電網(wǎng)規(guī)劃與運(yùn)行所面臨的主要問(wèn)題.

目前涉及電網(wǎng)限制短路電流措施的研究文獻(xiàn)很多，主要從改變系統(tǒng)運(yùn)行方式[1-2]、改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及短路限制設(shè)備應(yīng)用3個(gè)方面來(lái)限制短路電流.

1）改變系統(tǒng)運(yùn)行方式

在實(shí)際操作中，改變系統(tǒng)運(yùn)行方式主要典型措施有線路拉停、線路出串以及母線分列運(yùn)行等.

相較電網(wǎng)分區(qū)運(yùn)行，將出現(xiàn)短路電流問(wèn)題的廠站的母線分列運(yùn)行，是實(shí)施條件更為簡(jiǎn)單、操作更加方便的措施.但是母線分列運(yùn)行帶來(lái)的問(wèn)題也是顯而易見的，在母線分列之后，系統(tǒng)的電氣聯(lián)系降低，潮流的流通方式實(shí)際上是減少了.這不僅削減了系統(tǒng)的安全裕度，也降低了運(yùn)行的靈活性和可靠性.同時(shí)，母線分列運(yùn)行還會(huì)出現(xiàn)諸如同一廠站的變壓器所帶負(fù)荷不均勻這樣的問(wèn)題.

在電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行和規(guī)劃中，從短期來(lái)說(shuō)，最常見的措施還有通過(guò)改變電網(wǎng)的接線，如拉停線路，從物理上改變廠站間的電氣距離，進(jìn)而有效降低短路電流過(guò)高的廠站.這是較為經(jīng)濟(jì)的措施，但是對(duì)短路電流的限制效果有限.

2）改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

電源的接入、變電站的位置、線路的連接方式等，都在根本上決定了短路電流的大小以及分布.改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)[3-4]較為典型的措施是電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán).

500 kV作為主干網(wǎng)架，對(duì)下一級(jí)電網(wǎng)，即220 kV電網(wǎng)來(lái)說(shuō)起到支撐作用，一旦在500 kV原有基礎(chǔ)上進(jìn)行分區(qū)運(yùn)行，將會(huì)對(duì)220 kV電網(wǎng)的規(guī)劃和運(yùn)行產(chǎn)生較大的影響.因此在條件允許的情況下，降低220 kV區(qū)域電網(wǎng)間的聯(lián)系，將220～500 kV電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)，是最直接的電網(wǎng)分區(qū)運(yùn)行的措施，可以有效地降低電網(wǎng)中的短路電流.但由于系統(tǒng)可靠性、備用容量、輸電線路限額、系統(tǒng)穩(wěn)定性等多方面的限制，電網(wǎng)解環(huán)的條件較為苛刻，需要合理規(guī)劃并加強(qiáng)500 kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，雖需要巨大投資，但又是更為有效的措施.

3）短路限制設(shè)備應(yīng)用

從短路限制設(shè)備方面[5]來(lái)控制短路電路，主要是通過(guò)提高系統(tǒng)的等效阻抗來(lái)降低短路電流.傳統(tǒng)的措施主要有兩類：采用高阻抗變壓器和加裝限流電抗器.

采用高阻抗變壓器的實(shí)質(zhì)是通過(guò)增加變壓器的阻抗，進(jìn)而降低短路電流.但這樣的措施需要更換全新的變壓器，投資較大.同時(shí)，由于變壓器自身阻抗的增大，會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗以及變壓器上壓降的增加.加裝限流電抗器包括在變壓器中性點(diǎn)上加裝小電抗接地、線路上加裝串聯(lián)電抗器、母線上加裝串聯(lián)電抗器等措施.雖然這樣的措施較更換高阻抗變壓器更便宜，但所能起到的限流作用也很有限.和高阻抗變壓器一樣，這類措施也存在諸如網(wǎng)損增加等弊端.

傳統(tǒng)限流措施都有很大的局限性，近年來(lái)新的短路電流限制技術(shù)得到了快速的發(fā)展，比如采用適當(dāng)?shù)碾妷赫{(diào)節(jié)手段、直流背靠背技術(shù)、故障限流器技術(shù)以及提高斷路器最大遮斷容量等方式.直流背靠背技術(shù)能夠直接有效地降低短路電流，但是換流站成本較高.而故障限流器（Fault Current Limiter，F(xiàn)CL）限流技術(shù)，屬于柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）中的一員.每類措施均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，為了達(dá)到最優(yōu)的效果，應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際情況，對(duì)各類措施進(jìn)行篩選.

1 電網(wǎng)短路電流水平概況

為了考察可能出現(xiàn)的最嚴(yán)重的短路電流，本文將在某電網(wǎng)不采取分層分區(qū)、故障限流器等限流措施下進(jìn)行分析計(jì)算，重點(diǎn)是500 kV變電站的220 kV母線，并且在考察各變電站時(shí)，其均處于全接線狀態(tài).

電網(wǎng)內(nèi)500 kV變電站220 kV斷路器的遮斷容量均為50 kA.考慮到理論計(jì)算與實(shí)際值存在誤差，為了計(jì)算的合理性，保留一定的裕度，針對(duì)500 kV變電站進(jìn)行短路電流分析時(shí)，認(rèn)為短路電流大于48 kA的均為短路電流超標(biāo)的變電站.

經(jīng)計(jì)算電網(wǎng)500 kV各變電站220 kV母線短路電流存在超標(biāo)問(wèn)題的主要是繁昌站.其短路電流情況如表1所示.

從表1可以看出對(duì)這個(gè)500 kV變電站，其短路電流主要來(lái)源于500 kV繁昌#1、#2主變的注入，即

由500 kV層次的電網(wǎng)向220 kV母線提供的短路電流較大.除此之外，繁昌站中220 kV繁月雙線為短路電流注入較大的線路.

2 各限制短路電流措施的應(yīng)用

2.1 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化

本節(jié)主要從開斷短路電流注入較大的線路來(lái)分析各種開斷方式下，對(duì)短路電流限制的影響.各變電站的開斷線路和相應(yīng)的短路電流限制效果如表2所示.

從表2中可以看出，通過(guò)開斷線路來(lái)改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，效果較好的情況下可以將短路電流降低10%～20%左右.

對(duì)于500 kV繁昌站來(lái)說(shuō)，各方案均能將短路電流限制在要求以內(nèi)，如果考慮采用方案后的穩(wěn)定性問(wèn)題，500 kV繁昌站可以在2015、2016年均采用方案1來(lái)達(dá)到最佳的限流效果.

2.2 改變系統(tǒng)運(yùn)行方式

本節(jié)主要采用母線分列運(yùn)行來(lái)分析其對(duì)短路電流限制的影響.變電站采用220 kV母線分列運(yùn)行之后的短路電流限制效果如表3所示.從表3中可以看出，變電站采用母線分列運(yùn)行可以很好地限制短路電流的大小，最多可以降低50%左右.

2.3 設(shè)備應(yīng)用

本節(jié)主要包括采用高阻抗主變和限流電抗器兩類措施對(duì)短路電流的影響.變電站短路電流情況如表4所示.

1） 采用高阻抗變壓器

從表4中可以看出，將500 kV變電站的2臺(tái)主變換成18%高阻抗變壓器之后，限流效果非常有限，繁昌站僅有10%左右.

2） 加裝限流電抗器

從表5可以看出，在變電站的出線上加裝20 Ω的串抗，無(wú)論是在一條或者多條線路上加裝，效果都一般，短路電流最多降低10%.為了減少對(duì)保護(hù)整定、運(yùn)行穩(wěn)定性的影響，在220 kV母聯(lián)上僅加裝5 Ω串抗，但效果明顯，短路電流降低最低為20%，最高可達(dá)52%.

3）加裝故障電流限制器

FCL的基本原理是在串聯(lián)電抗器限流的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，它同F(xiàn)ACTS中的其他控制器一樣，依靠電力電子技術(shù)對(duì)其相應(yīng)的傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)而來(lái).它克服了傳統(tǒng)串聯(lián)電抗器限流的缺點(diǎn)，具體模型可抽象為圖1：在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，開關(guān)裝置處于閉合狀態(tài)，F(xiàn)CL無(wú)電抗投入，只在系統(tǒng)故障時(shí)開關(guān)快速斷開投入電抗器進(jìn)行限流[6-7].

如圖2所示，具體的FCL主要有以下4部分組成：快速故障電流探測(cè)元件、快速切換開關(guān)、限流電抗器以及過(guò)電壓保護(hù)元件.

由于故障電流限制器在故障時(shí)限制短路電流效果與限流電抗器相似，因此在各變電站母聯(lián)處加裝故障電流限制器的效果可參照上述加裝限流電抗器后短路電流降低的數(shù)值.

在母聯(lián)開關(guān)2800、2600處加裝故障電流限制器，如圖3所示.

根據(jù)上述加情況，限制效果如表6所示.

根據(jù)表6所示，從分母短路電流的限流效果來(lái)看，繁昌站無(wú)論是2015年還是2016年，在2600和2800開關(guān)處加裝設(shè)備來(lái)達(dá)到限制的效果較好.

為了保證母線上以及各出線始端三相短路故障時(shí)，距離故障點(diǎn)最近的故障電流限制器能夠可靠動(dòng)作，其動(dòng)作電流ILIM應(yīng)該小于各臨近故障情況下流過(guò)故障電流限制器的瞬時(shí)短路電流（前20周波）最大幅值中的最小值（一對(duì)故障電流限制器的取值是相同的）.根據(jù)2015年繁昌變220 kV各母線分段上以及出線始端的短路電流分析結(jié)果比較可知，當(dāng)IB母線三相短路時(shí)，流過(guò)故障電流限制器的最大瞬時(shí)值達(dá)到12 kA，為各類故障中的最小值，如圖4所示（1周波為20 ms），即故障電流限制器的動(dòng)作電流ILIM應(yīng)小于12 kA.

通過(guò)圖5可知，以IA母線為例，在故障電流限制器投入之后，母線上的短路電流較電抗器沒有投入的情況下得到了更好的限制，其電流幅值在投入之后更低，振蕩更小.

繁昌站母聯(lián)加裝故障電流限制器后，根據(jù)上述分析和定值分析結(jié)果，除母線或相鄰線路近母線處故障外，故障電流限制器一般不動(dòng)作.下面主要從最嚴(yán)重的母線短路故障來(lái)分析故障電流限制器對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定的影響，仍然以IA母線短路為例，如圖6所示.

如圖6所示，故障后功角曲線可以看出，在繁昌站附近各主要電廠中，大幅振蕩在120周波前就已經(jīng)消失，所有電廠均表現(xiàn)為減幅振蕩，故加裝故障電流限制器，且在母線故障后準(zhǔn)確投入的情況下，未發(fā)生任何失穩(wěn)現(xiàn)象.

3 各方案比較

上述500 kV繁昌站的各限流措施均能將繁昌站220 kV母線的短路電流降低至48 kA以下，符合限流的要求.對(duì)比來(lái)看，采用220 kV母線分列運(yùn)行可以達(dá)到最佳的限流效果，但是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的影響最大.在各方案均能達(dá)到限流要求的情況下，不予考慮.如若不考慮電網(wǎng)新增設(shè)備和投資，僅利用現(xiàn)有資源，斷開220 kV繁月雙線已可將短路電流限制在48 kA以下.而如若為了更好的限流效果，可采用加裝限流電抗器的方案.相較傳統(tǒng)的串聯(lián)電抗，故障電流限制器在系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下體現(xiàn)的是零阻抗，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響.總體來(lái)看，在母聯(lián)上加裝故障電流限制器，可以在不影響母線運(yùn)行穩(wěn)定性的前提下，很好地控制母線上的短路電流，達(dá)到良好的限流效果.但是，電力電子設(shè)備的投資和運(yùn)行可靠性問(wèn)題，都要在實(shí)際運(yùn)行中加以綜合考慮.

4 總結(jié)與展望

本文以實(shí)際電網(wǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，針對(duì)理論計(jì)算所發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，以短路電流最優(yōu)控制為導(dǎo)向提出了一些限流方案并做了相關(guān)比較分析，可以為調(diào)度運(yùn)行和規(guī)劃部門提供一些有益的參考.

實(shí)際短路電流控制措施，除了要考慮短路電流控制效果，還需綜合考慮電網(wǎng)安全穩(wěn)定性、供電可靠性、運(yùn)行方式靈活性、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性等因素，對(duì)于電網(wǎng)短路電流超標(biāo)問(wèn)題的應(yīng)對(duì)既需要理論上的進(jìn)一步研究，也需結(jié)合實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行情況具體分析.

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