限制电力系统短路电流方法研究

林茸

摘要：随着发电所中的变压器及发电机容量日益增大，所以相应的限流工作难度增加，本文就电力系统短路电流限制措施做一个全面的探讨。

关键词：电力系统；短路电流；限制

Abstract: with the power transformer and generator capacity increases day by day, so the corresponding fault current difficulty increases, the electric power system short circuit current restrictions do a comprehensive discussion.

Key words: electric power system; Short circuit current; limit

中图分类号：TM715文献标识码：A 文章编号：

随着我国电网规模的快速增加，使短路电流不断升高，已严重影响到电网的安全运行，这也成为制约电网发展的重要因素。有预计指出，三峡电站可能的最大短路电流周期分量将达300kA。因此，限制短路电流是电气工程设计者在发电厂和变电站设计中经常遇到和需要解决的技术问题。

1短路电流及其危害

1.1短路电流定义

短路电流是电力系统在运行中，相与相之间或相与地（或中性线）之间发生非正常连接 （即短路）时流过的电流。其值可远远大于额定电流，并取决于短路点距电源的电气距离。例如，在发电机端发生短路时，流过发电机的短路电流最大瞬时值可达额定电流的10~15倍。大容量电力系统中，短路电流可达数万安。这会对电力系统的正常运行造成严重影响和后果。

1.2短路电流的危害

1）短路电流增大，断路器、隔离开关、电流互感器等串接设备以及母线等设备需要承担大电流冲击，故必须选择大容量设备，且输电线路也必须要大容量，这就造成设备投资大大增加。2）由于短路电流增大，系统单相接地短路电流也随之增大，这也造成了对通信线路电磁感应危害的增加。同时也造成铁塔附近接触电压和跨步电压的增加，危害人畜生命安全。3）短路电流增加，架空导线的温度也会上升，造成线夹部分过热 ，同时也使架空线路故障点损伤加剧，如绝缘子破损、导线熔断等问题。

所以，在电气工程设计中，限制短路电流的目的主要是：①保证导体和电气设备的安全运行，从而保证电网安全、可靠地抢送电能：②使用轻型廉价电器，降低工程投资。

2限制短路电流的方法

2.1从电网结构层面限制短电流水平

1）规划电网结构要合理：控制电流的基本措施就是对电网的结构进行合理规划。电网的发展历史从某种意义上来说，也是低电压等级合理分区、电压等级不断升高的过程。在超高压电网形成了坚强的网架后，就为500kV电网的结构优化、分区运行创造了良好的条件 ，对限制电网短路电流起若十分重要的作用 。

2）发展直流输电：换流变压器、直流输电线路、换流器等各种直流设备组成了直流输电系统。调节直流输电系统的基本方式就是定电流调节，通过控制换流器触发相位，可以实现直流输电系统的快速调节，自动将电流保持为定值，从而避免了直流电网安全运行受到直流电流剧烈变化的影响。用直流输电或者崩直流联网对交流系统分，把电嘲分成儿个相对独立的交流系统，以避免系统间短路电流的互相注入，从而对交流电网的短路电流起到一定的控制作用。

3）电源接入系统方式进行合理规划：存选择电源接入点时，要考虑其會对系统短路电流水平产生影响，要留一定的空间给电网短路电流。一般发电厂比较适合用单元式方式进行系统接入，大电厂之间最好不要有直接联络线，也不适合串存环网中运行。500kV电网在发展的初期，比较适合将新建的较大容量机组直接接入，对于降低220kV电力系统的短路电流水平是非常有利的。而500kV主网架进一步发展，短路电流水平也随之升高，这时可以考虑将电源均衡接入220kV以及500kV系统 。

4）提高配电网电压等级：现在我国很多地：都是把10kV电来作为配电网电压等级，其在过去电力负荷与建设发展的过程中起到了重要的作用，但是现存已经不适应现代电网的发展。部分地区已经开始推广35kV或者20kV为配电网的电压等级。城市用电负荷越来越大，电力系统中大量的220kV直变10kV的变压器发展也越来越迅速。以240MVA变压器为例，如果采用一定的限制措施，会导致这些变压器10kV侧的短路 电流超过25kA，存实际工作中限制短路电流就要在主变低压侧增加限流电抗器，或者采用 高阻抗变压器等措施。如果把城市网的电压等级提高到20kV，如果变压器短路阻抗相同，那么低压侧短路电流会大量减少，进而有效的抑制电网的短路电流，限制电抗器的使用和限制电网中的高阻抗变压器，最终节省变电站的建设投资，降低电网耗损。

以某个220kV的变电站为例，220kV侧母线三相短路电流是35kV，主变容量为 180MVA，低压侧电压选用20kV或者10kV时，如果要把短路电流限制到20kV，则变压器高低短路阻抗的选用值可以参看表1：

表1：变压器高低短路阻抗选用值

正如上表所示，如果低压侧采用电压等级是10kV，变电站就要用高阻抗变压，如果采用20kV电压，那么普通阻抗变压器就可以，从而减少了变压器的投资。

2.2从变电站层面限制短路电流水平

1）母线分列运行：打开母线的分段开关让变压器分列运行，可以有效的增大系统阻抗，从而降低短路电流水平。这种方法对于变电站中10KV、35kV、110kV侧母线部已经普遍使用。但是如果在超高压电网，比如500kV侧采用该方案，则会削弱系统电气联系，从而降低电网运行的灵活性和安全程度。

2）高阻抗设备：在电网的主要矛盾不是暂态稳态的时候，控制短路电流以采取提高设备的阻抗值来实现，但这要从变电、发电等各个环节同时采取措施，才能获得好的效果。短路电流产生的源头是发电设备，接入电网可以通过采用升压变、高阻抗发电机以及采用单元制线等方法，从而进行短路电流水平的有效控制。但这种方法对于送电的可靠性无法保证，对于电厂调压也有不利的影响。电力系统中最重要的动态无功电就是就是电厂无功，它在电压稳定事故中起到电压支撑的作用，如果增加电厂接入系统阻抗值，就会削减这个功能。

3）普通限流电抗器：普通串联电抗器是把一个固定阻值电抗器串联入电网，相对来说是属于比较传统的限流技术，虽然运行方法安全可靠、简单便捷，但对于电力系统的潮流分布、系统的稳定性会有一定的影响，增加了无功损耗。串联电抗器通常都安装在线路接入处或者母线联络处。不过目前在国内，中低压电网中应用不可控串联电抗器的情况较多，而在超高电压电网中的应用还不多。

4）高遮断容量的开关设备：用遮断容量更大的设备更换现有配套电气和断路器设备，对于短路电流过大来说是相对直接的办法。我国220kV或者500kV电网中已经较为普遍的使朋50kA设备，63kA设备的应加也比较多。不过该设备的价格比较高。

5）大容量高速开关：现在有些厂家已经研制出了高压限流熔断器、高吸能氧化锌电阻与爆炸式快速开断载流桥体结合的大容量新型高速开关装置（FSR），这种新型装置有诸多优点，比如开断速度快、断流能力强、额定电流大等，它也可以和断路器串联作短路开断设备，如图1所示。也可以和电抗器并联，将电抗器在正常运行时进行短接，短路时高速开关装置 （FSR）断开，再投入电抗器以限制短路电流。新型的高速开关装置在10k发以下相对较低电压等级的用户工程或者小型电厂中应用较多，不过这种装置也有着不足，比如它是要靠炸药的爆破断开装置中的载流桥体，而炸药都是一次性的，不能检测，如果长时间运行后，炸药有可能会因受潮变质，无法及时爆破。并且国家在运行维护和检测中还有没针对该新型产品的标准出台，不能依据相应的标准对产品进行维护及验收。

图1：FSR和断路器串联电路图

5）新型短路电流限制器：固态故障电流限制器以及超导故障电流限制器都有特别的限流特性，可以提高电网运行以及输电线路的整体控制能力，相对比较具有发展前景。不过目前的超导故障限流器在直流领域中应用较多，并没有在交流领域大规模应用。固态故障电流 限制器采用的是电力电子元件，其优点是允许动作次数多、动作速度快，可以有效的限制短 路电流暂态峰值，但电子元件容量也相对较低，在应用于大电流或者高电压场合时，就要将 多个元件串并联，成本高、可靠性低、制造难度大。

3结束语

总体上看，提高电网的短路电流水平是一个长期而且复杂的过程，要把短路电流的控制问题落实到规划阶段，在规划中综合考虑电网和电源的建设和发展；同时结合目前的电力市场改革，研究实施短路电流市场化的方案，并积极推进与有关高校、科研院所合作共同研制新的限制短路电流的设备。

参考文献：

[1]高凯平．限制短路电流的方法[J]．电力安全技术 2000，(3).

[2]黄煌，李群炬．京津唐电网限制短路电流问题探讨[J]，华北电力技术，2007．

[3]侯志炜，王智伟，秦跃进，闸勇．湖北电网2007年短路电流水平及限制措施[J]，电力科学与技术学报，2007，22(1)．

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。