變電站增容引起低壓短路電流過大問題探究

孔德亮

摘 要：變電站增容后，在設(shè)備運(yùn)行過程中容易因?yàn)楫a(chǎn)生的低壓短路電流，影響變電站各設(shè)備的運(yùn)行性能?；诖耍疚奶接懽冸娬镜脑鋈莘桨?，首先介紹短路電流的相關(guān)規(guī)定，然后分析某變電站增容后的短路電流過大問題，最后提出限制短路電流的措施。

關(guān)鍵詞：變電站;增容;短路電流

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.190

0 前言

變電站增容后，電力系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)了一些問題，甚至造成嚴(yán)重的電力故障。其最突出的是短路事故。對(duì)于某些行業(yè)而言，電力輸送保障具有重要意義，例如某一應(yīng)用場景的變壓器中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)、不直接接地系統(tǒng)，因?yàn)槠洚a(chǎn)生的短路電流為設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生較大影響。

1 低壓短路電流過大問題分析

（1）接地系統(tǒng)。以某變電站為例，通過在其變壓器中設(shè)置不接地、不直接接地系統(tǒng)，用以限制電纜接地電容電流，隨著線纜不斷延伸，故障線路的電流按照以下公式計(jì)算：Ic=（lk+35lL）/350A。其中U表示電網(wǎng)額定線電壓，kV;lk表示架空線路長度，km;lL表示電纜線路長度，km。通過以上計(jì)算公式，可以確定接地電容電流大小的決定因素是線路長度和線電壓，若是線路所鋪設(shè)的面積夠大，那么線路所傳輸?shù)碾娙蓦娏饕搽S之增大，能達(dá)到幾十安培。為了避免應(yīng)用場所過高的電壓對(duì)用電的影響，根據(jù)安全規(guī)程的相關(guān)規(guī)定，對(duì)于采用的高壓電網(wǎng)，限制了單項(xiàng)接地電容電流，即最高不能超過20A。利用消弧線圈可以感知電路中的電壓、電流是同頻率正弦量，電壓的相位角為超前電流90度;因?yàn)殡妷?、電流是同頻率正弦量，以及電壓的相位角，在R、L、C串聯(lián)電路中，如果XL=XC，那么可以推斷出UL=UC，φ=0。通過以上計(jì)算，了解到電壓、電流同相，在這樣的電路安排中，盡管存在電感和電容，但整條線路為電阻性電路?；谶@一原理，在安全規(guī)程允許內(nèi)接地電容電流補(bǔ)償可以使用消弧線圈補(bǔ)償。例如，變電站持續(xù)建設(shè)，其線路分布面積不斷擴(kuò)大，接地電容電流要求始終低于20A，因此在變壓器中性點(diǎn)設(shè)置上，采用不接地系統(tǒng)的方案[1]。

（2）供電系統(tǒng)。短路類型可以分為兩相、三相短路，特別是在變電站增容之后，其短路電流也隨之增大，在原有電氣設(shè)備沒有改造的前提下，對(duì)其安全性、穩(wěn)定性有很大的影響。針對(duì)這一問題，需要選取重型電氣設(shè)備，但是過多的設(shè)備投入增加了改造成本，因此還要考慮其他限制短路電流的措施。本文所舉的供電系統(tǒng)例子，變電站額定斷流容量在100MVA，對(duì)于是否要采取限制短路電流的措施，要看供電系統(tǒng)額定斷流容量是否大于100MVA，若為是則采取相應(yīng)措施。這時(shí)考慮到過大的額定斷流容量，因?yàn)殡娫撮_關(guān)切換，造成的短路故障。因?yàn)楣收喜荒芡ㄟ^切除取消，使得故障擴(kuò)大，威脅系統(tǒng)運(yùn)行安全。

2 短路容量確定

電力系統(tǒng)的短路主要為無限大電源容量系統(tǒng)短路，其計(jì)算方法為對(duì)值法。這種電源容量系統(tǒng)，支持恒定的電壓，即電流可以根據(jù)需要自主調(diào)節(jié)，既內(nèi)阻抗為零，在實(shí)際運(yùn)行過程中所謂無限大容量電源不存在。但是，當(dāng)短路點(diǎn)與電源之間的電器距離達(dá)到一定的程度，那么短路回路阻抗，通過檢測該短路點(diǎn)發(fā)現(xiàn)電流持續(xù)增大，電源電壓沒有明顯變化，由此可以認(rèn)定該電壓為恒定值，將電力系統(tǒng)看作無限大電源容量系統(tǒng)。以某電站變電站母線短路容量，基準(zhǔn)容量Sj=100MVA、基準(zhǔn)電壓Uj=6.3kV、基準(zhǔn)電流Ij=Sj/3*Uj=100/1.732*6.3=9.165kA。通過以上條件，可以確定電源系統(tǒng)的相對(duì)基準(zhǔn)電抗（X0*j=Sj/Sx=100/100=1），高壓架空線路電抗基準(zhǔn)相對(duì)值為0.116Ω，變壓器電抗基準(zhǔn)相對(duì)值為0.937Ω，短路回路總基準(zhǔn)電抗相對(duì)值為1.556Ω。以某變電站母線短路容量，可以確定基準(zhǔn)容量、基準(zhǔn)電壓、基準(zhǔn)電流等因素。根據(jù)以上參數(shù)，可以確定電源系統(tǒng)的相對(duì)基準(zhǔn)電抗，高壓架空線路電抗基準(zhǔn)相對(duì)值為0.116Ω，變壓器電抗基準(zhǔn)相對(duì)值為0.937Ω，短路回路總基準(zhǔn)電抗相對(duì)值為1.556Ω。

3 變電站增容后限制短路電流的措施

以某110kV變電站為例，根據(jù)電壓等級(jí)短路電流分別為：110kV（31.5kA，40kA）、60kV（31.5kA）、35kV（25kA）、20kV（16kA，20kA）、10kV（16kA，20kA）。對(duì)于限制短路電流，需要在110kV低壓側(cè)選取較低的數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)中壓配電線路短路電流沿線遞減。

（1）更換10kV配電設(shè)備斷路器。由于面對(duì)用戶的變電站配電網(wǎng)復(fù)雜性，因此常規(guī)采用的斷路器為10kV，若是更換其他斷路器，那么變電站的改造將增加難度、資金投入和停電時(shí)間?；谄髽I(yè)運(yùn)營和成本考慮，不建議在資金和時(shí)間不充裕的情況下，采用更換10kV斷路器的方案。

（2）主變壓器運(yùn)行方式。為降低變電站設(shè)備的短路電流，還可以采用高阻抗變壓器的方法實(shí)現(xiàn)，以短路電壓百分?jǐn)?shù)為17%的設(shè)備，計(jì)算10kV母線短路電流，從而可以明確變電站兩臺(tái)主變壓器運(yùn)行過程中分列、并列狀態(tài)時(shí)短路電流分別為11.6kA、21kA。通過短路結(jié)算，可以發(fā)現(xiàn)采用高阻抗變壓器，有效降低變電站的短路電流，特別是在主變壓器以分列的運(yùn)行方式，母線短路電流為11.6kA，滿足了對(duì)變電站降低和限制短路電流提升的要求。當(dāng)主變壓器以并列的方式運(yùn)行，10kV的母線短路電流為21kA。根據(jù)以上結(jié)果，斷路器的額定開斷電流為31.5kA，這樣的參數(shù)符合變電站的接入要求。額定開端電流，接近10kV配電設(shè)備斷路器額定開斷電流20kA。通過分列和并列兩種變壓器運(yùn)行方式分析，可以確定后者更符合10kV母線的要求，最大程度保證性能和安全[2]。

（3）主變壓器加裝電抗器。安裝的電抗器，主要在變壓器的低壓側(cè)、斷路器出口側(cè)的位置。主變壓器低壓出線樁頭、斷路器之間裝設(shè)限流電抗器，有效降低短路電流效果，有效改變電網(wǎng)潮流分布。以電抗器、變壓器的參數(shù)和負(fù)荷特性進(jìn)行潮流計(jì)算，可以得知變壓器的電壓水平是否處于合理范圍，這樣的方式運(yùn)用在變電站檢修、維護(hù)環(huán)節(jié)提高工作效率。關(guān)于限流電抗器的參數(shù)選擇，需要考慮變壓器低壓繞組抗、限流電抗器之和相等原則，電抗器計(jì)算值以6.92%、10%帶入短路電流計(jì)算，可以知道主變壓器分列和并列運(yùn)行的短路電流為12.6kA、18.3kA。加裝電抗器后，主變壓器的并列短路電流為18.3kA，在平常運(yùn)行狀態(tài)下壓降為1.4%小于5%，符合變壓器運(yùn)行要求。

4 結(jié)論

綜合上述，變電站增容后其短路電流隨之增大，為了保證配電設(shè)備運(yùn)行正常，首先通過計(jì)算獲知短路電流是否在合理范圍內(nèi)，如果為否則通過更換斷路器，改變主變壓器運(yùn)行方式，加裝電抗器的措施，使短路電流降至合理范圍內(nèi)，保障設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]鮑海泉，黃仁智，陳麗林.變電站增容引起低壓短路電流過大問題的解決[J].農(nóng)村電工，2018，26（11）：44.

[2]趙康偉，劉鐵成，程金梁等.昌平500kV變電站主變?cè)鋈菘缭?20kV母線帶電更換導(dǎo)線[J].農(nóng)村電氣化，2016（07）：21-23.