限制輸電網(wǎng)短路電流的措施研究

譚月涵

限制輸電網(wǎng)短路電流的措施研究

譚月涵

（長江工程職業(yè)技術(shù)學院, 湖北 武漢 430212）

電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，系統(tǒng)的短路電流水平也隨之逐步升高，對電力系統(tǒng)的安全可靠運行帶來了隱患?？偨Y(jié)國內(nèi)外限制短路電流的各項措施，從網(wǎng)架優(yōu)化的角度，提出電磁環(huán)網(wǎng)分片的原則及合理的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)構(gòu)想，以國內(nèi)發(fā)達地區(qū)典型電網(wǎng)北京電網(wǎng)為例，分析該地區(qū)電網(wǎng)分區(qū)分片的情況，為限制短路電流超標提供參考。

短路電流；網(wǎng)架優(yōu)化；電磁環(huán)網(wǎng)；分區(qū)分片；電力系統(tǒng)

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，農(nóng)業(yè)、工業(yè)等各行業(yè)發(fā)展迅速，我國電網(wǎng)也實現(xiàn)了快速發(fā)展，區(qū)域電網(wǎng)廣泛互聯(lián)，以實現(xiàn)跨區(qū)資源優(yōu)化配置，再加上傳統(tǒng)電源規(guī)模的快速增長，新能源的規(guī)模化發(fā)展以及消納需求，工業(yè)化及城鎮(zhèn)化帶來的負荷密度的不斷上升，為滿足負荷需求及用戶可靠性要求的大批輸變電項目的投產(chǎn)，均導致了輸電網(wǎng)短路電流水平存在超標的風險。短路電流超標給電力設備、電網(wǎng)運行安全等帶來了巨大的隱患，制約著電力系統(tǒng)的進一步協(xié)調(diào)發(fā)展[1]。因此，研究合理有效的限制短路電流的措施，對電網(wǎng)科學發(fā)展意義重大?；诖?，本文將總結(jié)歸納抑制短路電流的各種措施，并從網(wǎng)架優(yōu)化的角度，提出電磁環(huán)網(wǎng)分片的原則及合理的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的構(gòu)想，為解決短路電流超標的問題提供思路。

1 降低短路電流的措施分析

1.1 提高電壓等級

限制系統(tǒng)短路電流的有效措施之一是提高電網(wǎng)運行電壓等級。上個世紀，日本關(guān)西275 kV系統(tǒng)將電壓等級上升至500 kV后，275kV系統(tǒng)短路電流水平下降至50kA極限值以下[2]。又如瑞典將400kV系統(tǒng)電壓升至750kV，短路電流由60kA限制到40kA以下。

國內(nèi)現(xiàn)已建成1000kV特高壓示范工程，根據(jù)特高壓發(fā)展規(guī)劃，華北-華中-華東電網(wǎng)將建成特高壓交流網(wǎng)架。特高壓環(huán)網(wǎng)形成后，可以考慮斷開部分500kV聯(lián)絡線，以降低系統(tǒng)短路電流水平。

1.2 改變接線方式

在保證系統(tǒng)持續(xù)供電的條件下，斷開部分開關(guān)或線路，是抑制短路電流的有效舉措[3]。對于3/2斷路器接線形式，可以斷開與母線連接的邊開關(guān)，使得站內(nèi)串中線路通過中間開關(guān)直接相連，不與變電站母線有電氣聯(lián)系，減少了變電站出線數(shù)，短路電流下降明顯，如圖1-1中的串1。

該措施的缺點是由于站點失去了一路出線，一定程度上降低了可靠性，通常作為臨時措施。

圖1 -1 一個半斷路器接線

1.3 采用母線分段運行

在電網(wǎng)短路電流大的站點可考慮通過母線分裂，或在母線分段處安裝斷路器，故障時先跳母聯(lián)開關(guān)，然后再跳出線開關(guān)，可以有效抑制短路電流。

上海電網(wǎng)瓶窯變500kV和220kV母線短路電流均超標，實行瓶窯變220kV母線分裂和500kV母線分裂后，短路電流被控制在40kA左右[4]。

不過分裂也會帶來可靠性降低的問題，且若分裂不徹底，可能會使出線輸送功率不均衡，在主變故障或主變檢修方式下易導致相關(guān)聯(lián)絡線過載，需進行詳細計算論證后實施。

1.4 采用高阻抗設備

隨著發(fā)電機組并入電網(wǎng)，會造成附近短路電流增加[5]。發(fā)電廠可采用相對較高短路阻抗的升壓變壓器，以控制發(fā)電機組向系統(tǒng)注入的短路電流。另外，采用高阻抗的500kV降壓變，有利于減小高電壓等級系統(tǒng)向低電壓等級系統(tǒng)提供的短路電流。

根據(jù)國內(nèi)外應用情況看，目前華東電網(wǎng)、東京電力公司要求升壓變壓器短路阻抗由常規(guī)的13%提高到 18%～23%，降壓變壓器短路阻抗由常規(guī)的13%提高到16%～20%。

圖1 -2 不同短路阻抗降壓變（2×750MVA）下的短路電流

圖1 -3 不同短路阻抗的降壓變（2×1000MVA）下的短路電流

圖1 -4 不同短路阻抗的降壓變（2×1200MVA）下的短路電流

由圖 1-2、1-3、1-4可知，若并列運行的兩臺變壓器短路阻抗由12%增大至15%，則對應的220kV母線的短路電流將降低3～5kA[6]。

1.5 串聯(lián)電抗器

串聯(lián)電抗器可以增大需控制短路電流回路的等值阻抗，降低短路電流。目前，已在美國、巴西等國外電網(wǎng)中普遍使用，在上海電網(wǎng)500kV網(wǎng)架中使用了串聯(lián)電抗器。其優(yōu)點是投資節(jié)省，占地面積相對較小，運行方式簡單、安全可靠; 缺點是增加系統(tǒng)的網(wǎng)損，可能導致系統(tǒng)阻抗發(fā)生變化而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性[7]。目前，國際上已經(jīng)研制出可控串聯(lián)電抗器，正常運行時等效阻抗為0，僅在出現(xiàn)短路故障時投入運行。

1.6 提高開關(guān)遮斷容量

但上世紀八、九十年代建設的500kV變電站500kV、220kV斷路器遮斷能力大多為 50kA，部分已無法滿足運行要求，需進行更換。

目前80kA、100kA的斷路器已研制生產(chǎn)，如西門子 SF6斷路器做到 550kV/100kA 和800kV/63kA水平。但提高系統(tǒng)短路電流水平，開關(guān)遮斷容量從目前的63kA水平進行升級，需綜合考慮系統(tǒng)安全的需要、降低短路電流的措施、更換開關(guān)及相應設備所需資金，綜合權(quán)衡安全經(jīng)濟后決定是否需要對目前63kA的短路電流水平進行升級。

2 分區(qū)分片的原則

電源點過于集中和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的緊密使得系統(tǒng)短路阻抗下降，電磁環(huán)網(wǎng)的存在與短路電流增加之間的矛盾日益突出，成為制約電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一[8]。

控制短路電流的手段很多，從增加回路中的串抗、提高開關(guān)遮斷容量等是從電氣設備角度對短路電流超標的問題進行解決，但形成短路電流的根本原因在于電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)不合理，因此解決短路電流的根本方法是對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。當電網(wǎng)發(fā)展到一定程度，相比新增或更換電氣設備等限制系統(tǒng)短路電流的措施，解開電磁環(huán)網(wǎng)以實現(xiàn)清晰合理的分層分區(qū)供電模式是一種行之有效的網(wǎng)架優(yōu)化方法。

2.1 解環(huán)條件

（1）系統(tǒng)穩(wěn)定及熱穩(wěn)定條件

電磁環(huán)網(wǎng)的弊端在于上一級電網(wǎng)線路跳閘后，功率轉(zhuǎn)移到低電壓等級線路上，導致線路及變壓器過載，從而引起系統(tǒng)失穩(wěn)，因此系統(tǒng)穩(wěn)定及熱穩(wěn)定計算作為電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)的首要條件。

（2）短路電流限制

隨著現(xiàn)代電網(wǎng)的發(fā)展，系統(tǒng)不斷增強，傳統(tǒng)功角穩(wěn)定破壞幾率逐步下降，短路電流持續(xù)攀升成為威脅電網(wǎng)安全的突出矛盾。因此解開電磁環(huán)網(wǎng)，降低短路電流，增強系統(tǒng)的安全，成為電磁環(huán)網(wǎng)是否解環(huán)的重要原因。

（3）系統(tǒng)潮流分布及降損

電磁環(huán)網(wǎng)的高低壓網(wǎng)絡并列運行時，潮流分布按照高低壓網(wǎng)絡的阻抗進行分配，難以通過有效的手段進行調(diào)控，因此潮流分布及網(wǎng)損成為電磁環(huán)網(wǎng)是否解環(huán)的又一重要原因。

（4）電力電量平衡

電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)是電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的重新調(diào)整，解環(huán)后的目標網(wǎng)架應保證電力電量的分區(qū)平衡，以保證供電的充足性、可靠性。

（5）無功電壓平衡

在電磁環(huán)網(wǎng)是否開環(huán)方面，電壓水平、無功功率能否實現(xiàn)分層分區(qū)就地平衡，也是決定電磁環(huán)網(wǎng)是否開環(huán)的重要因素之一[9]。解環(huán)后每個區(qū)域內(nèi)應盡可能在每個供電區(qū)有一定容量的電廠，以保證分片后的電網(wǎng)內(nèi)有動態(tài)無功支撐能力。

2.2 片區(qū)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)設想

（1）片區(qū)間的連接方式

每個片區(qū)中包括兩個或三個500kV變電站，220kV側(cè)母線分母運行。各片區(qū)在正常方式下獨立運行?？紤]在發(fā)生事故狀況下片區(qū)之間相互支援，各片區(qū)之間通過一定的聯(lián)絡線路在緊急情況下實現(xiàn)負荷轉(zhuǎn)供。

（2）片區(qū)內(nèi)的典型結(jié)構(gòu)

220kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，各樞紐站之間通過雙回線形成環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，區(qū)域內(nèi)共有四組雙回220kV線路作為500kV的電力下送通道。

3 典型分片模式研究

北京電網(wǎng)在限制220kV短路電流方面主要采用北京模式實現(xiàn)分區(qū)供電。其分區(qū)分配方式具有典型意義。

北京電網(wǎng)采取將500kV環(huán)網(wǎng)外擴的措施，將網(wǎng)內(nèi)9座500kV變電站與張家口地區(qū)的張南站、河北南部的保定新城、保北、霸州、安次形成大環(huán)網(wǎng)，環(huán)網(wǎng)外擴后，500kV層面的短路電流下降明顯[10]。

同時為了進一步加強北京地區(qū)自身500kV電網(wǎng)建設，考慮增加深入市中心區(qū)的500kV變電站。為限制短路電流，在市區(qū)內(nèi)新建的500kV變電站由環(huán)網(wǎng)上的不同 500kV樞紐變電站分別出 1條500kV線路為其供電，500kV母線和220kV母線均分列運行，區(qū)別于500kV環(huán)網(wǎng)上的500kV樞紐站，稱為500kV負荷站。城北500kV變電站、海淀500kV變電站、興都500kV變電站、朝陽500kV變電站均為500kV負荷站。

為了限制220kV系統(tǒng)短路電流，220kV電網(wǎng)分片分區(qū)供電，以 2～3個 500kV變電站的一段220kV母線為分界點，將220kV電網(wǎng)進行分區(qū)，形成以相鄰的500kV變電站的220kV母線為供電中心的雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，各分區(qū)電網(wǎng)之間在正常方式下相對獨立，緊急情況下可通過運行方式改變實現(xiàn)相互支援。

圖3 -1 2015年北京電網(wǎng)220kV分片分區(qū)模式

如上圖所示，2015年北京地區(qū)500kV變電站10座，變壓器28臺，主變?nèi)萘窟_到30951MVA，地區(qū)容載比為2.40。

為控制短路電流，2015年北京仍繼續(xù)完善電網(wǎng)分區(qū)建設，2015年將分為昌平～城北、順義～朝陽～城北、順義～朝陽～通州、通州～安定、安定～興都、房山～興都等9個分區(qū)供電。

4 結(jié)論

本文針對電網(wǎng)發(fā)展過程中存在的可靠性強與短路電流超標之間的矛盾，總結(jié)了限制短路電流的各項措施，得到以下主要結(jié)論：

（1）限制短路電流的措施主要有兩類，一類是設備級的方法，包括采用高阻抗設備，線路中串聯(lián)電抗器，提高開關(guān)遮斷容量等。另一類是系統(tǒng)級的方法，包括優(yōu)化網(wǎng)絡架構(gòu)，對電磁環(huán)網(wǎng)實施解環(huán)，分區(qū)分片。

（2）電磁環(huán)網(wǎng)實施解環(huán)必須滿足電力電量平衡、熱穩(wěn)校核、潮流分布均勻、短路電流校驗、無功電壓就地平衡。

（3）解決系統(tǒng)短路電流超標的根本方法是構(gòu)建清晰的電網(wǎng)架構(gòu)，實現(xiàn)電磁環(huán)網(wǎng)的解環(huán)，形成合理的供電分區(qū)，北京電網(wǎng)的分區(qū)分片方式具有典型意義：以相鄰的500kV變電站的220kV母線為供電中心的雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，各分區(qū)電網(wǎng)之間在正常方式下相對獨立，各分區(qū)220kV電力可相互支援。既兼顧了可靠性，同時有利于降低系統(tǒng)短路電流。

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The Research of Measures Limiting Short-Circuit Current in Power Grid

Tam Yuehan
（Changjiang Institute of Technology, Wuhan 430212 Hubei）

With the continuous enlargement of electric system scale, the short-circuit current is rising accordingly, which has put power system at serious security and stability risks. This paper discussed the possible measures for limiting the short-circuit current of power system. In terms of optimizing the structure of power grid, the paper proposed the main principle of partition of electromagnetic loop network and resonable scheme. In addition, taking the power grid in Beijing for example, the paper analyzed the partition in this area,providing some instructions to limit the overproof of short-circuit current.

Short-circuit current; Wire frame optimization; Electromagnetic looped network; Partition fragmentation; Electric system

TM713

A

1672-1047（2017）06-0116-04

10.3969/j.issn.1672-1047.2017.06.35

2017-11-13

譚月涵，女，重慶江津人，助教。研究方向：電力工程實訓與教學。

劉良瑞]