基于短路電流限制措施的江西電網(wǎng)“十四五”期間解環(huán)分片研究

聶更生，鄭 春，陳會(huì)員，王 偉

（國網(wǎng)江西省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江西南昌330043）

0 引言

隨著用電負(fù)荷迅速增加，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大。500 kV 電網(wǎng)與220 kV 電網(wǎng)電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行，負(fù)荷集中、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)緊密、電源密集等原因使得電網(wǎng)的短路電流水平迅速增大，直接影響到整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。目前，短路電流水平增長過快已成為電網(wǎng)規(guī)劃、運(yùn)行方面所面臨的重要問題[2]。短路電流超標(biāo)將給電網(wǎng)運(yùn)行帶來一系列的問題：

1）建設(shè)費(fèi)用增加。為承受由于短路電流增大的沖擊而必須選擇具有更大遮斷容量的斷路器和相應(yīng)的電氣設(shè)備，必然增加相應(yīng)投資費(fèi)用。由于短路電流的增大，為滿足設(shè)備在極端情況下的動(dòng)熱穩(wěn)定要求，電力系統(tǒng)不得不進(jìn)行改造、更換線路和變電站設(shè)備等，這就需要增加投資費(fèi)用。

2）危及電網(wǎng)運(yùn)行安全。當(dāng)短路電流接近甚至超過斷路器的開斷容量時(shí)，由于開斷能力不足，斷路器可能會(huì)延長開斷故障電流的時(shí)間甚至無法有效切除故障，將造成后備保護(hù)動(dòng)作，致使事故擴(kuò)大化，進(jìn)而造成大面積停電事故。故障時(shí)間延長還將加大電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重影響電網(wǎng)輸電能力及安全運(yùn)行。

3）對(duì)通信線路的電磁感應(yīng)危害增加。系統(tǒng)短路電流增大，當(dāng)發(fā)生不對(duì)稱短路時(shí)，系統(tǒng)單相接地短路電流也隨之增大，不平衡電流產(chǎn)生足夠的磁通，在鄰近的電路內(nèi)感應(yīng)出很大的電動(dòng)勢，危害通信線路。

4）造成設(shè)備損失。短路電流越大，故障點(diǎn)的損傷隨之增大，導(dǎo)致架空線故障點(diǎn)破壞加劇，絕緣子破損；電纜的損壞嚴(yán)重，并危及其他電纜；導(dǎo)線熔斷，加長了修復(fù)時(shí)間，延長了停電時(shí)間。短路電流超出設(shè)備的熱/動(dòng)穩(wěn)定極限，將使設(shè)備扭曲變形甚至燒毀，造成設(shè)備毀壞。

因此，需要采取多種措施降低短路電流，使短路電流在開關(guān)開斷能力范圍內(nèi)。

1 解環(huán)分片原則與思路

1）合理分層分區(qū)

合理分層分區(qū)即是在保證一定可靠性的前提下，在環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)電路中，在合理的系統(tǒng)斷點(diǎn)斷開電氣聯(lián)系，將電網(wǎng)解環(huán)運(yùn)行。合理的分層分區(qū)不僅可以限制短路電流，還具備有利于電網(wǎng)運(yùn)行、減少環(huán)流線損、便于保護(hù)配置等好處。然而，受制于電網(wǎng)發(fā)展水平限制，通過發(fā)展高一級(jí)電壓后將低一級(jí)電壓電網(wǎng)解開分片運(yùn)行，需要合理的規(guī)劃和長期的建設(shè)[3]。

2）降低電網(wǎng)局部的電氣聯(lián)系

降低電網(wǎng)局部的電氣聯(lián)系可以增加系統(tǒng)阻抗，相應(yīng)的措施包括一臺(tái)半斷路器出串運(yùn)行、500 kV 變電站220 kV 分母運(yùn)行、減少接入變電站的出線、變電站出線站外短接、斷開部分聯(lián)絡(luò)線路等。這些手段簡單易行，但也有可能降低電網(wǎng)供電可靠性，部分線路停運(yùn)也造成電網(wǎng)資產(chǎn)閑置。

3）合理選用設(shè)備型號(hào)

采用高阻抗變壓器可增加變壓器的漏抗，進(jìn)而降低短路電流。當(dāng)然，采用高阻抗變壓器將增加建造成本，增加投資。另外，由于變壓器自身阻抗增大，變壓器的無功損耗和電壓降也將增加。

加裝限流電抗器包括線路串抗、中性點(diǎn)小電抗、母線串抗等，增加了系統(tǒng)阻抗，因而可以降低短路電流。相對(duì)高阻抗變壓器，限流電抗器投資更低，但限流作用有限，且存在高阻抗變壓器同樣的弊端。

選用大開斷電流的斷路器，例如220 kV 電壓等級(jí)選用63 kA 短路電流斷路器可以直接提升短路電流開斷能力，但也將增加投資，不僅斷路器成本大幅增加，相應(yīng)的母線、隔離開關(guān)等均需要選用具備大短路電流下熱/動(dòng)穩(wěn)定能力的型號(hào)[4]。

原則上一個(gè)220 kV 電網(wǎng)分區(qū)內(nèi)應(yīng)有3 座500 kV變電站，含3 臺(tái)或以上主變，并與外區(qū)有3 回或以上500 kV 聯(lián)絡(luò)線，且在正常運(yùn)行方式下，任一元件發(fā)生單一故障，不造成穩(wěn)定破壞，則具備分區(qū)運(yùn)行條件，若不滿足此條件下如需解環(huán)分片應(yīng)當(dāng)做充分論證。

2 江西電網(wǎng)主要措施

2019年，江西220 kV 電網(wǎng)分為4片運(yùn)行，500 kV/220 kV 電磁解環(huán)為西北分區(qū)、中部分區(qū)、東部分區(qū)、西南部分區(qū)四大片區(qū)，主要采取了開斷聯(lián)絡(luò)線、選用大開斷電流斷路器的方式限制短路電流，500 kV永修站220 kV 側(cè)選用63 kA 遮斷容量斷路器。“十四五”期間，隨著電網(wǎng)發(fā)展，需要采取多種手段降低短路電流，針對(duì)江西電網(wǎng)實(shí)際，主要包含以下措施[5]。

2.1 聯(lián)絡(luò)線解環(huán)

聯(lián)絡(luò)線解環(huán)是最簡單、最重要的限制短路電流措施，通過斷開片區(qū)之間的聯(lián)絡(luò)線，可顯著降低短路電流。以新余吉安片區(qū)為例，隨著2022 年吉安東輸變電工程投產(chǎn)，吉安地區(qū)具備與新余和吉安北部解環(huán)的條件，以便合理分區(qū)，避免220 kV長線聯(lián)絡(luò)。

可將220 kV白沙—瓜畬線路與220 kV樟山—眾村線路分別在瓜畬、白沙附近短接，形成瓜畬—樟山線路和白沙—眾村第二回線路；220 kV 眾村—樟山線路開斷運(yùn)行，具體實(shí)施方案如圖1 所示。采取上述措施后，新吉北與吉安片區(qū)聯(lián)絡(luò)線實(shí)現(xiàn)解環(huán)分片運(yùn)行，羅坊變220 kV 三相短路電流由47.11 kA 下降至43.77 kA。

圖1 新余吉安片區(qū)聯(lián)絡(luò)線解環(huán)方案圖

2.2 調(diào)整網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

調(diào)整網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要是通過擴(kuò)大環(huán)網(wǎng)、站點(diǎn)改接供電等方式，降低局部電氣聯(lián)系強(qiáng)度或降低短路容量，以降低短路電流，往往涉及到部分線路的開斷與新建。500 kV 側(cè)短路電流主要取決于500 kV 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，因此主要通過調(diào)整電網(wǎng)結(jié)構(gòu)限制短路電流[6]。以江西中部500 kV 電網(wǎng)為例，隨著特高壓交直流站點(diǎn)落點(diǎn)江西中部地區(qū)電網(wǎng)，具備網(wǎng)架結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，500 kV 短路電流超標(biāo)問題嚴(yán)重制約電網(wǎng)發(fā)展，需要從網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上重新進(jìn)行調(diào)整，為電網(wǎng)發(fā)展留出裕度。

2025 年，中部核心環(huán)網(wǎng)實(shí)施“1 新建+2 開斷”工程，一方面解決中部核心網(wǎng)架短路電流問題，另一方面梳理網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，形成結(jié)構(gòu)清晰的內(nèi)外雙環(huán)核心網(wǎng)架。項(xiàng)目包括：1 新建，500 kV 厚田—福廣線路新建工程；2 開斷，500 kV 南昌—進(jìn)賢線路、夢山—厚田500 kV 開斷運(yùn)行。采取措施前中部地區(qū)500 kV 電網(wǎng)接線圖如圖2所示。

圖2 中部環(huán)網(wǎng)措施前接線圖

采取措施后中部地區(qū)500 kV 電網(wǎng)接線圖如圖3所示。

圖3 中部環(huán)網(wǎng)措施后接線圖

2025 年，500 kV 永修變、夢山變、南昌變 500 kV側(cè)三相短路電流分別達(dá)到64.66、64.70、63.21 kA。

措施后，永修變、夢山變、南昌變500 kV 側(cè)三相短路電流分別達(dá)到51.24、41.87、42.97 kA。中部500 kV電網(wǎng)形成內(nèi)外雙環(huán)結(jié)構(gòu)，可解決前述結(jié)構(gòu)性問題，提高富廣站供電可靠性，提高網(wǎng)架對(duì)特高壓交直流投產(chǎn)時(shí)序不確定的適應(yīng)性。解環(huán)前后短路電流值如表1所示。

表1 中部電網(wǎng)措施前后短路電流對(duì)比表

2.3 調(diào)整分區(qū)范圍

當(dāng)局部220 kV 電網(wǎng)過于密集，使得短路電流超標(biāo)，而簡單地解環(huán)分片又將影響供電可靠性時(shí)，可考慮分區(qū)調(diào)整。分區(qū)調(diào)整應(yīng)當(dāng)避免大拆大建，因地制宜重新規(guī)劃供電片區(qū)。以九江電網(wǎng)核心區(qū)域?yàn)槔?020 年以220 kV 九江電廠（2×350 MW+1×660 MW）為中心的九江東部負(fù)荷中心區(qū)220 kV 電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)聯(lián)系緊密，短路電流處于較高水平，隨著蔡嶺—鄱北220 kV 雙回線路投運(yùn)后，九江電廠220 kV 側(cè)三相短路電流達(dá)到48.48 kA。

待 500 kV 石鐘山 3 號(hào)主變擴(kuò)建工程、220 kV 蔡嶺—鄱北雙回線路投運(yùn)后，開斷運(yùn)行琴湖—海山220 kV 線路、新港—海山220 kV 線路，具體實(shí)施方案如圖4 所示。九江電廠220 kV 側(cè)三相短路電流降至38.64 kA，以其為代表的九江東部負(fù)荷中心區(qū)域短路電流水平有效降低。通過本項(xiàng)解環(huán)措施，將九江東部部分區(qū)域改接入江西東北部分區(qū)。

圖4 九江地區(qū)供電分區(qū)調(diào)整圖

2.4 分母運(yùn)行

對(duì)于部分具備合理劃分出線供區(qū)的短路電流超標(biāo)的500 kV 變電站，將其220 kV 側(cè)分母運(yùn)行可顯著限制短路電流水平，采取分母運(yùn)行措施時(shí)應(yīng)注意適當(dāng)調(diào)整主變供電出線，使得分母后的主變負(fù)載率總體較為平均。以500 kV 撫州變?yōu)槔?023 年500 kV撫州變3 號(hào)主變擴(kuò)建工程投運(yùn)后，撫州變220 kV 側(cè)三相短路電流達(dá)到53.58 kA。將撫州變220 kV 側(cè)分母運(yùn)行，其中3 號(hào)主變接帶撫州北部負(fù)荷，1 號(hào)、2號(hào)接帶撫州南部負(fù)荷，具體實(shí)施方案如圖5 所示。采取上述措施后，撫州變220 kV 側(cè)三相短路電流降至43.34 kA，2022 年的撫州片區(qū)劃分為撫州北、撫州南2 個(gè)片區(qū)。

圖5 撫州變分母運(yùn)行供電示意圖

2.5 主變增容改造

由于歷史原因，江西現(xiàn)有500 kV主變以750 MVA容量的常規(guī)阻抗變壓器為主，以主變高壓側(cè)對(duì)中壓側(cè)的短路阻抗百分比Uk（高-中）為例，多數(shù)在12%~14%之間。這種情況下，不僅難以滿足地區(qū)供電容量的需要，又受到短路電流超標(biāo)因素的限制，嚴(yán)重制約電網(wǎng)發(fā)展。這種情況下，更換大容量、高阻抗變壓器是最優(yōu)解決方法。

需要注意的是，增加變電站容量不利于限制短路電流，提高短路阻抗有利于限制短路電流，兩者因素互相制約，因此需通過計(jì)算以選用合理的短路阻抗，以免改造后短路電流不降反升。同時(shí)，該方法降低短路電流水平的幅度不如其他方法有效，后期仍需進(jìn)一步采取措施。

對(duì)于江西電網(wǎng)來說，因控制短路電流水平的需要，一般采用高阻抗變壓器，規(guī)劃新增的100 萬kVA容量主變的高-中阻抗值不低于16%，網(wǎng)絡(luò)密集區(qū)不低于18%，短路電流控制困難地區(qū)采用20%阻抗值變壓器。

以2025年贛州變增容改造方案為例，原贛州變?nèi)萘?×750 MVA，Uk（高-中）=12.08%，將原有750 MVA常規(guī)阻抗主變更換為1000 MVA 高阻抗變壓器，改造后變電站容量2×1000 MVA，主變Uk（高-中）=20%，贛州變220 kV 三相短路電流由48.53 kA 降低至47.51 kA，不僅可以滿足贛州地區(qū)負(fù)荷發(fā)展需求，同時(shí)有效限制短路電流水平。

3 江西電網(wǎng)解環(huán)方案

隨著電網(wǎng)、電源的建設(shè)和負(fù)荷的不斷增長，短路電流逐步增加，為優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、降低短路電流，全省220 kV 電網(wǎng)將由4 個(gè)片區(qū)逐步解環(huán)分片至14 個(gè)片區(qū)，過渡方案如表2所示。

表2 江西電網(wǎng)“十四五”解環(huán)分片方案

解環(huán)分片后，江西電網(wǎng)形成了網(wǎng)架堅(jiān)強(qiáng)、供電范圍清晰的結(jié)構(gòu)，各片區(qū)之間通過500 kV 聯(lián)絡(luò)線或者500 kV 變電站高壓側(cè)母線形成聯(lián)絡(luò)關(guān)系，各片區(qū)均滿足解環(huán)分片要求，供電安全可靠。各片區(qū)之間聯(lián)絡(luò)關(guān)系如圖6所示。

圖6 江西電網(wǎng)220 kV供電分區(qū)聯(lián)絡(luò)關(guān)系

4 結(jié)語

隨著500 kV電網(wǎng)的逐步完善，220 kV電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)不斷加強(qiáng)，導(dǎo)致部分站點(diǎn)短路電流超標(biāo)，限制電網(wǎng)發(fā)展。因此，220 kV電網(wǎng)解環(huán)分片運(yùn)行是電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢，江西電網(wǎng)主要采取了聯(lián)絡(luò)線解環(huán)、調(diào)整網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、調(diào)整分區(qū)范圍、變電站分母運(yùn)行、主變增容合并高阻抗改造等措施，建立起了適應(yīng)遠(yuǎn)景發(fā)展的解環(huán)分片方案，為電網(wǎng)發(fā)展留下了裕度，可確保電網(wǎng)安全運(yùn)行。