限制青海东部电网短路电流的电磁解环方案

傅 旭，李富春

(中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075)

0 引言

我国电网的规模日益增加，电网输电能力不断提高，但伴随而来的是电网短路电流超标日益严重[1-5]，通过电网结构优化、增加限流装置来限制短路电流引起了越来越多的电力工作者的注意[6-10]。文献[11]分析了大机组降压运行对电网短路电流的影响。文献[12]针对单相短路电流超标的问题，提出了特高压受端电网的综合限流优化模型。文献[13]以天津电网为研究对象，利用220 kV电网分区限制天津电网短路电流。在短路电流计算方法方面，文献[14]采用叠加定理计算含变流型电源电网短路电流来进行设备选型。文献[15]为考虑风电机组链式连接对风电场短路电流的影响，利用风机短路时电压电流的特性关系求解出风电场各台风机的机端电压和风电场短路电流。文献[16]针对配电网短路电流计算时未考虑负荷的问题，提出了故障端口的改进算法。

电磁环网可提高电网输送电能力、地区内部供电能力，但同时会带来电力系统热稳定、动稳定、短路电流超标等影响电力系统安全稳定运行的问题[17]。《电力系统安全稳定导则》要求电磁环网应当逐步解开并按照电网电压等级和供电区域合理分层、分区[18]。对于电磁环网的解环问题，电力工作者进行了大量的研究[19-21]。

随着青海东部电网的逐步加强，750/330 kV电磁环网较多，330 kV电网的短路电流超标问题愈来愈严重[22]。为限制青海东部电网的短路电流水平，本文利用支路追加法模拟电磁解环和母线分裂，推导电磁解环和母线分裂的短路电流灵敏度，研究青海东部地区750/330 kV电网的电磁解环方案。

1 青海东部330 kV母线短路电流分析

青海东部的西宁和海东地区是青海电网的负荷中心，随着地区电网的逐步加强，750/330 kV电磁环网增多，330 kV电网的短路电流超标问题愈来愈严重。2025年西宁和海东地区将形成多个750/330 kV电磁环网结构，将导致西宁和青山供电区的330 kV泉湾、花园、景阳、黄家寨和山城变330 kV母线短路电流超标，短路电流预测值如表1所示。为解决近远期青海330 kV电网短路电流超标问题，在历年的青海电网规划中已逐步考虑解环措施，电网方案滚动调整也逐步朝有利于电网解环的方向发展。

表1 2025年青海东部330 kV母线短路电流Table 1 Short circuit current of 330 kV bus in eastern Qinghai in 2025 year

2 限流措施的短路电流灵敏度

2.1 限流措施模拟

2.1.1 母线分裂运行模拟

母线分裂运行通过改变电网中关键节点的电气主接线来调整电网结构，减少系统电气联系，进而增大系统的阻抗，起到限制电网短路电流的作用。图1是母线分列运行模拟方法。正常情况下母线分段断路器A闭合，相当于2个阻抗值分别为+1和-1的支路串联。当断路器断开时，通过在阻抗值为+1支路上并联1个阻抗值为-1的支路模拟。

图1 母线分裂模拟Fig.1 Model of bus split

2.1.2 电磁解环模拟

电磁环网是指不同电压等级组成的网络，通过两端变压器磁回路的联接而形成的环网。电磁解环指的是通过断开下一级电压等级的线路、母线分裂等手段消除电磁环网。而切除某条线路，相当于在原线路两端追加1条阻抗值为-zij的线路，zij为原线路的阻抗值，如图2所示。

图2 电磁解环模拟Fig.2 Model of electromagnetic gird division

2.2 短路电流灵敏度计算

采用支路追加法计算支路切除后的节点阻抗变化量，进而计算出母线短路电流的灵敏度[22]。

2.2.1 三相短路电流灵敏度计算

(1)

式中f=1,2,…,m。

切除节点i和j之间的线路i-j前后，短路电流标幺值的变化量为

(2)

切除某条线路i-j，相当于在相应的节点上追加一条阻抗值为-zij的线路。支路切除前后矩阵对角线元素的变化量为

(3)

其中

(4)

式中：Zii为原网络节点i的自阻抗；Zjj为原网络节点j的自阻抗；Zij为节点i、j的互阻抗；zij为切除线路的阻抗。

短路电流标幺值的改变量为

(5)

式中：Zfi和Zfj分别为断开线路首末端节点与三相短路电流超标研究节点之间的互阻抗。

转成有名值为

(6)

式中：SB为系统基准容量；UB为系统基准电压。

2.2.2 单相短路电流灵敏度计算

单相接地短路为不对称短路，单相接地短路的电流标幺值为

(7)

式中Zeq为等效故障阻抗，

(8)

单相接地短路电流标幺值的变化量为

(9)

其中，线路切除前后的等效故障阻抗之差为

转为有名值为

(14)

3 限流效果分析

3.1 电磁环网解环方案

3.1.1 西宁与海东330 kV解环方案

远期2025年为限制330 kV电网短路电流，西宁、海东330 kV电网将解环运行，将西宁、海东330 kV电网的解环点设置在郭隆330 kV母线，如图3所示。

图3 郭隆变330 kV母线分段Fig.3 Guolong 330 kV bus division

3.1.2 西宁与青山330 kV解环方案

青山(西宁北)750 kV输变电工程中对西宁北部地区330 kV电网进行了优化，将远期解环点设置在山城—景阳双回330 kV线路，如图4所示。

图4 西宁与青山电磁环网解环Fig.4 Xining and Qingshan electromagnetic gird division

3.1.3 郭隆与官亭330 kV解环方案

根据规划，为限制海东地区尤其是官亭330 kV母线短路电流超标问题，通过民和变电站(开关站)的建设将郭隆与官亭供电区的解环点设置在阿兰—民和双回330 kV线路，如图5所示。

图5 郭隆与官亭电磁环网解环Fig.5 Guolong and Xining electromagnetic gird division

3.2 短路电流计算结果

2025年郭隆变考虑4台主变压器，330 kV母线最大短路电流达到78.89 kA，主变压器并列提供短路电流较大，330 kV母线分段运行，即可实现西宁与海东之间的电磁环网解环。各线路短路电流计算结果如表2所示。解环后，郭隆变供西宁侧330 kV母线最大短路电流降低至54.67 kA，供海东侧330 kV母线最大短路电流降低至41.58 kA。2025年郭隆330 kV母线分段，西宁与青山之间330 kV电磁环网合环运行，泉湾、花园、景阳、黄家寨和山城330 kV母线短路电流超标，可考虑正常运行时断开山城—景阳双回330 kV线路，实现电磁环网解环运行。解环后，泉湾、花园、景阳、黄家寨、山城330 kV母线最大短路电流分别降低至48.22、45.26、36.27、27.19、27.20 kA，均在设备遮断能力之内。

2025年郭隆与官亭之间330 kV电磁环网合环运行，官亭330 kV母线最大短路电流仍超过50 kA(约为50.78 kA)，可考虑正常运行时断开阿兰—民和双回330 kV线路，实现电磁环网解环运行。解环后官亭330 kV母线最大短路电流降低至43.7 kA。

若民和热电和阿兰出线间隔位于同一串内，远期出串运行，郭隆和官亭供电区解环，官亭短路电流可进一步降低至40.59 kA。限制官亭330 kV母线短路电流，也可采取一些在调度运行时的临时限制短路电流方案，比如目前已在使用的限制附近水电的开机方式。经计算，公伯峡和积石峡各少开1台机组，官亭330 kV母线短路电流可降低至48.03 kA。

4 结论

分析了青海东部电网通过电磁解环限制短路电流的可行性。通过将将母线分裂和线路开断模拟为追加1条负阻抗支路，可快速计算电磁解环后的短路电流计算水平。研究结果表明：

(1) 2025年青海电网规划网架结构坚强，限制330 kV短路电流可通过电磁环网解环实现；

(2) 西宁与青山之间330 kV电磁环网解环选择断开山城—景阳双回330 kV线路;西宁与海东之间330 kV电磁环网解环，采用330 kV母线分段运行；郭隆与官亭之间330 kV电磁环网解环采用断开阿兰—民和双回330 kV线路。

表2 青海电网短路电流计算结果Table 2 Calculation results of short-circuit current in Qinghai power grid

注：(1)代表西宁与海东330 kV解环；(2)代表西宁与青山330 kV解环；(3)代表郭隆与官亭330 kV解环。