限制输电网短路电流的措施研究

谭月涵

限制输电网短路电流的措施研究

谭月涵

（长江工程职业技术学院, 湖北 武汉 430212）

电力系统规模的不断扩大，系统的短路电流水平也随之逐步升高，对电力系统的安全可靠运行带来了隐患。总结国内外限制短路电流的各项措施，从网架优化的角度，提出电磁环网分片的原则及合理的网架结构构想，以国内发达地区典型电网北京电网为例，分析该地区电网分区分片的情况，为限制短路电流超标提供参考。

短路电流；网架优化；电磁环网；分区分片；电力系统

随着国民经济的发展，农业、工业等各行业发展迅速，我国电网也实现了快速发展，区域电网广泛互联，以实现跨区资源优化配置，再加上传统电源规模的快速增长，新能源的规模化发展以及消纳需求，工业化及城镇化带来的负荷密度的不断上升，为满足负荷需求及用户可靠性要求的大批输变电项目的投产，均导致了输电网短路电流水平存在超标的风险。短路电流超标给电力设备、电网运行安全等带来了巨大的隐患，制约着电力系统的进一步协调发展[1]。因此，研究合理有效的限制短路电流的措施，对电网科学发展意义重大。基于此，本文将总结归纳抑制短路电流的各种措施，并从网架优化的角度，提出电磁环网分片的原则及合理的网架结构的构想，为解决短路电流超标的问题提供思路。

1 降低短路电流的措施分析

1.1 提高电压等级

限制系统短路电流的有效措施之一是提高电网运行电压等级。上个世纪，日本关西275 kV系统将电压等级上升至500 kV后，275kV系统短路电流水平下降至50kA极限值以下[2]。又如瑞典将400kV系统电压升至750kV，短路电流由60kA限制到40kA以下。

国内现已建成1000kV特高压示范工程，根据特高压发展规划，华北-华中-华东电网将建成特高压交流网架。特高压环网形成后，可以考虑断开部分500kV联络线，以降低系统短路电流水平。

1.2 改变接线方式

在保证系统持续供电的条件下，断开部分开关或线路，是抑制短路电流的有效举措[3]。对于3/2断路器接线形式，可以断开与母线连接的边开关，使得站内串中线路通过中间开关直接相连，不与变电站母线有电气联系，减少了变电站出线数，短路电流下降明显，如图1-1中的串1。

该措施的缺点是由于站点失去了一路出线，一定程度上降低了可靠性，通常作为临时措施。

图1 -1 一个半断路器接线

1.3 采用母线分段运行

在电网短路电流大的站点可考虑通过母线分裂，或在母线分段处安装断路器，故障时先跳母联开关，然后再跳出线开关，可以有效抑制短路电流。

上海电网瓶窑变500kV和220kV母线短路电流均超标，实行瓶窑变220kV母线分裂和500kV母线分裂后，短路电流被控制在40kA左右[4]。

不过分裂也会带来可靠性降低的问题，且若分裂不彻底，可能会使出线输送功率不均衡，在主变故障或主变检修方式下易导致相关联络线过载，需进行详细计算论证后实施。

1.4 采用高阻抗设备

随着发电机组并入电网，会造成附近短路电流增加[5]。发电厂可采用相对较高短路阻抗的升压变压器，以控制发电机组向系统注入的短路电流。另外，采用高阻抗的500kV降压变，有利于减小高电压等级系统向低电压等级系统提供的短路电流。

根据国内外应用情况看，目前华东电网、东京电力公司要求升压变压器短路阻抗由常规的13%提高到 18%～23%，降压变压器短路阻抗由常规的13%提高到16%～20%。

图1 -2 不同短路阻抗降压变（2×750MVA）下的短路电流

图1 -3 不同短路阻抗的降压变（2×1000MVA）下的短路电流

图1 -4 不同短路阻抗的降压变（2×1200MVA）下的短路电流

由图 1-2、1-3、1-4可知，若并列运行的两台变压器短路阻抗由12%增大至15%，则对应的220kV母线的短路电流将降低3～5kA[6]。

1.5 串联电抗器

串联电抗器可以增大需控制短路电流回路的等值阻抗，降低短路电流。目前，已在美国、巴西等国外电网中普遍使用，在上海电网500kV网架中使用了串联电抗器。其优点是投资节省，占地面积相对较小，运行方式简单、安全可靠; 缺点是增加系统的网损，可能导致系统阻抗发生变化而影响系统的稳定性[7]。目前，国际上已经研制出可控串联电抗器，正常运行时等效阻抗为0，仅在出现短路故障时投入运行。

1.6 提高开关遮断容量

但上世纪八、九十年代建设的500kV变电站500kV、220kV断路器遮断能力大多为 50kA，部分已无法满足运行要求，需进行更换。

目前80kA、100kA的断路器已研制生产，如西门子 SF6断路器做到 550kV/100kA 和800kV/63kA水平。但提高系统短路电流水平，开关遮断容量从目前的63kA水平进行升级，需综合考虑系统安全的需要、降低短路电流的措施、更换开关及相应设备所需资金，综合权衡安全经济后决定是否需要对目前63kA的短路电流水平进行升级。

2 分区分片的原则

电源点过于集中和电网结构的紧密使得系统短路阻抗下降，电磁环网的存在与短路电流增加之间的矛盾日益突出，成为制约电网发展的关键因素之一[8]。

控制短路电流的手段很多，从增加回路中的串抗、提高开关遮断容量等是从电气设备角度对短路电流超标的问题进行解决，但形成短路电流的根本原因在于电网的结构不合理，因此解决短路电流的根本方法是对电网结构进行优化。当电网发展到一定程度，相比新增或更换电气设备等限制系统短路电流的措施，解开电磁环网以实现清晰合理的分层分区供电模式是一种行之有效的网架优化方法。

2.1 解环条件

（1）系统稳定及热稳定条件

电磁环网的弊端在于上一级电网线路跳闸后，功率转移到低电压等级线路上，导致线路及变压器过载，从而引起系统失稳，因此系统稳定及热稳定计算作为电磁环网解环的首要条件。

（2）短路电流限制

随着现代电网的发展，系统不断增强，传统功角稳定破坏几率逐步下降，短路电流持续攀升成为威胁电网安全的突出矛盾。因此解开电磁环网，降低短路电流，增强系统的安全，成为电磁环网是否解环的重要原因。

（3）系统潮流分布及降损

电磁环网的高低压网络并列运行时，潮流分布按照高低压网络的阻抗进行分配，难以通过有效的手段进行调控，因此潮流分布及网损成为电磁环网是否解环的又一重要原因。

（4）电力电量平衡

电磁环网解环是电网结构的重新调整，解环后的目标网架应保证电力电量的分区平衡，以保证供电的充足性、可靠性。

（5）无功电压平衡

在电磁环网是否开环方面，电压水平、无功功率能否实现分层分区就地平衡，也是决定电磁环网是否开环的重要因素之一[9]。解环后每个区域内应尽可能在每个供电区有一定容量的电厂，以保证分片后的电网内有动态无功支撑能力。

2.2 片区网络结构设想

（1）片区间的连接方式

每个片区中包括两个或三个500kV变电站，220kV侧母线分母运行。各片区在正常方式下独立运行。考虑在发生事故状况下片区之间相互支援，各片区之间通过一定的联络线路在紧急情况下实现负荷转供。

（2）片区内的典型结构

220kV电网结构中，各枢纽站之间通过双回线形成环网结构，区域内共有四组双回220kV线路作为500kV的电力下送通道。

3 典型分片模式研究

北京电网在限制220kV短路电流方面主要采用北京模式实现分区供电。其分区分配方式具有典型意义。

北京电网采取将500kV环网外扩的措施，将网内9座500kV变电站与张家口地区的张南站、河北南部的保定新城、保北、霸州、安次形成大环网，环网外扩后，500kV层面的短路电流下降明显[10]。

同时为了进一步加强北京地区自身500kV电网建设，考虑增加深入市中心区的500kV变电站。为限制短路电流，在市区内新建的500kV变电站由环网上的不同 500kV枢纽变电站分别出 1条500kV线路为其供电，500kV母线和220kV母线均分列运行，区别于500kV环网上的500kV枢纽站，称为500kV负荷站。城北500kV变电站、海淀500kV变电站、兴都500kV变电站、朝阳500kV变电站均为500kV负荷站。

为了限制220kV系统短路电流，220kV电网分片分区供电，以 2～3个 500kV变电站的一段220kV母线为分界点，将220kV电网进行分区，形成以相邻的500kV变电站的220kV母线为供电中心的双环网结构，各分区电网之间在正常方式下相对独立，紧急情况下可通过运行方式改变实现相互支援。

图3 -1 2015年北京电网220kV分片分区模式

如上图所示，2015年北京地区500kV变电站10座，变压器28台，主变容量达到30951MVA，地区容载比为2.40。

为控制短路电流，2015年北京仍继续完善电网分区建设，2015年将分为昌平～城北、顺义～朝阳～城北、顺义～朝阳～通州、通州～安定、安定～兴都、房山～兴都等9个分区供电。

4 结论

本文针对电网发展过程中存在的可靠性强与短路电流超标之间的矛盾，总结了限制短路电流的各项措施，得到以下主要结论：

（1）限制短路电流的措施主要有两类，一类是设备级的方法，包括采用高阻抗设备，线路中串联电抗器，提高开关遮断容量等。另一类是系统级的方法，包括优化网络架构，对电磁环网实施解环，分区分片。

（2）电磁环网实施解环必须满足电力电量平衡、热稳校核、潮流分布均匀、短路电流校验、无功电压就地平衡。

（3）解决系统短路电流超标的根本方法是构建清晰的电网架构，实现电磁环网的解环，形成合理的供电分区，北京电网的分区分片方式具有典型意义：以相邻的500kV变电站的220kV母线为供电中心的双环网结构，各分区电网之间在正常方式下相对独立，各分区220kV电力可相互支援。既兼顾了可靠性，同时有利于降低系统短路电流。

[1]吕文杰.英国国家电网的短路电流控制技术[J]. 华东电力, 2005, 33(9):22-24.

[2]Gianpietro，Mario G.，Fabio M.,etal.A genetic algorithm-based Procedure to optimize system topology against parallel flows [J].IEEE Trans. On Power System,2006,21(l):333-340

[3]周荣光..电力系统故障分析[M].北京:清华大学出版社,2001:15-18.

[4]AMON J, FERNANDEZ F P C, ROSE E H,et al.巴西在将限流电抗器用于短路电流限制方面取得的成功经验[J]. 电气应用,2006,24(1):4-8.

[5]祝达康. 对调整上海 500kV 规划网架及控制短路电流的思考[J].华东电力,2007,35(l):41-44.

[6]王晓辉,杨增辉.基于 TPSC 技术的短路电流限制器在华东电网中的应用研究[J].华东电力,2005, 33(5):11-14.

[7]周坚,胡宏,庄侃沁.华东 500 kV 电网短路电流分析及其限制措施探讨[J].华东电力,2006,34(7):55-59.

[8]王凤霞,吴迪,杨京燕,等.电网分层分区运行研究[C]／／第十六届（2008年）华东六省—市电机（电力）（工程学会输配电技术研讨会论文集）.安徽省电机工程学会,2008:118-120.

[9]傅业胜,罗意群.华东电网 500kV/220kV 电磁环网解网分析[J].华东电力,1997(7):31-33.

[10]王琬,刘宗岐,曾博,等.大都市电网综合指标体系与评价模型［J］.现代电力,2011,28(4)：24-28.

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

谭月涵，女，重庆江津人，助教。研究方向：电力工程实训与教学。

刘良瑞]