电源密集接入地区短路电流抑制研究

樊国伟，樊国旗，霍 超，孔繁宇，刘乃杰，何业飞，宋朋飞，魏朝阳，陈伟杰

(1.国网新疆电力公司，新疆 乌鲁木齐 830002；2.国网金华供电公司，浙江 金华 321001；3.国家电网公司西北分部，陕西 西安 710048；4.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京211100)

0 引言

新疆东部地区风、光和煤炭资源丰富，建设了千万千瓦级新能源基地〔1〕，为解决新能源出力波动性带来的调峰问题、新能源机组无功支撑能力不足问题及新能源转动惯量支撑不足问题〔2-4〕，同时减少煤炭运输成本，火电机组在此地区密集接入。能源场站密集接入会导致短路电流严重超标风险，以五彩湾地区变电站为例，该主变单相短路电流达到63.9 kA，相对750 kV断路器遮断电流50 kA严重超标，成为限制该地区新机组接入的首要因素。

目前，主要通过变压器中性点加装小抗、加装新型限流设备和优化电网运行方式限制短路电流〔5-6〕。在实际电网运行中，高压电网系统采取合环运行，低压电网系统采取解环方式，实现降低短路电流目的，但是会降低系统稳定性。从而导致系统接纳新能源容量降低。文献〔7〕提出一种电网故障时利用快速开关隔离故障电流，改变电网拓扑结构的方法，通过快速开关和常规断路器时序配合，实现柔性开断故障电流。文献〔8〕表明在银川东站安装大容量快速开关后，能够将短路电流降低约55 %，相比采取主变热备用状态运行，提升3倍短路电流抑制效果。文献〔9〕设计出主支路和转移支路的混合直流断路器，利用转移支路转移部分短路电流，从而降低主支路短路电流。文献〔10〕提出快速开关容量优化配置方法，降低电网规划运行成本。

针对电源密集接入电网地区短路电流超标问题，本文通过快速开关和中性点串小抗抑制短路电流方法，验证抑制短路电流方法有效性，并针对快速开关和中性点串小抗特点提出应用场景，提出实际电网抑制短路电流建议。

1 快速开关抑制短路电流原理

快速开关开断时间为20 ms,常规断路器开关开断时间为50 ms，利用快速开关快速开断时间特性，正常时开关K为合闸状态，故障时快速开关快速分闸。

快速开关限制短路电流分为两类，方式一母线法：正常时快速开关合闸状态，实现电网合环运行，提高电网稳定性；故障时快速开关分闸，实现母线分列运行，实现母线L1和L2之间短路电流叠加相互隔离的目的，降低短路电流。对应电网接线如图1所示，快速开关原理图如图2所示。

图1 方式一母线法接线图

图2 快速开关原理图

方式二支路法：选取线路LL1安装快速开关，正常时，快速开关K合闸状态，此时限流电抗器L被短路；故障时，快速开关K分闸，限流电抗器L投入，实现限流目的，减少线路LL1短路电流，快速开关限抗器原理图如图3所示，对应电网接线如图4所示，快速开关限抗器限制短路电流如式(1)所示。

图3 快速开关限抗器原理图

图4 方式二支路接线图

(1)

式中：U为短路故障点电压；X为快速开关投入前电抗；XL为快速开关电抗。

快速开关成本较高，以新疆某联网工程为例，投资成本约1 500万元；方式一虽然能提高电网稳定性，但图1中线路L1所有支路故障，均会导致快速开关动作，动作次数较多，会降低快速开关寿命。方式二支路法可以针对线路LL1故障快速开关动作，动作次数较少，在该联网工程中采用方式二支路法。

2 中性点加装小抗限制短路电流原理

中性点加装小抗对接地短路系统有限制短路电流效果，因此三相短路、两相短路电流没有影响〔11〕，但是三相电流较大因此需要分析；而单相接地短路电流大于两地接地短路，因此本文只分析单相接地短路和三相短路电流。

将单相短路接地的三组不对称分量分解为三组对称分量，正序分量、负序分量和零序分量分别如图5(x)、(y)和(z)所示。

图5 对称分量表示

(2)

中性点串小抗变电站造价单价约40万，但零序电流和零序电抗会发生变化，因此需要更改保护定值；中性点串小抗检修或其他状况退出时，需要更改保护定值较多，运行要求复杂；此外可能会涉及多个变电站改造，造价成本提升，且会改变阻抗分布，对电网运行方式造成较大影响。

3 抑制短路电流效果分析

3.1 中性点串小抗抑制短路电流效果

五彩湾地区变电站在规划网架下存在短路电流超标问题，为限制短路电流，将新建彩北站达到改变电网接线方式目的，彩北站新建后同样存在短路电流超标问题，由于该地区主要为单相短路电流超标问题，因此采用中性点串小抗抑制短路电流方法。

3.1.1 规划网架下短路电流抑制分析

目前五彩湾地区电网网架结构如图6所示，准东直流配套电厂20台机(20×660 MW)均投运的情况下，中性点加装小电抗后，三相短路电流不变，其中五彩湾750 kV、五彩湾220 kV、彩虹220 kV和彩霞220 kV三相短路电流分别为48.6 kA、65.8 kA、61.1 kA和47.6 kA。

图6 准东直流配套投运后的网架结构

单相接地短路电流如图7所示；短路电流边际抑制效果如图8所示，五彩湾750 kV采用右次坐标轴。

图7 单相接地短路电流

从图7可知，中性点加装小抗后， 220 kV变电站相比750 kV变电站单相短路电流抑制效果明显。短路电流超标为五彩湾220 kV变电站，串5 Ω小抗后单相接地短路电流小于三相短路电流。

从图8可知，单相接地短路电流边际抑制效果随中性点加装小抗阻值变大而逐渐降低。

五彩湾220 kV变电站单相接地短路电流最大，加装11 Ω、12 Ω和15 Ω小抗后，短路电流分别为59.4 kA、58.9 kA、58.2 kA，可以单相接地短路电流限制在60 KA以内的目的。裕度分析：中性加装12 Ω小抗后，每增加一台220 kV接入的35万机组，五彩湾220 kV单相接地短路电流约增加0.5 kA，故可以接入约7台35万机组；每增加一台750 kV接入的66万的机组，五彩湾220 kV母线单相接地短路电流仅增加0.05 kA，影响比较小。

3.1.2 新建彩北站改接后短路电流抑制分析

从220 kV石钱滩出双回线路(约70公里)至彩虹变北侧区域新建220 kV彩北变，将神火、其亚共8台机组改接至彩北变，同时220 kV虹喀木线开口接入彩北变(正常方式彩虹至彩北单回线路断开)，如图9所示：

图9 五彩湾地区地理接线图

新建220 kV彩北站情况下，中性点加装小电抗后，三相短路电流不变化，其中五彩湾750 kV、五彩湾220 kV、彩虹220 kV和彩霞220 kV三相短路电流分别为47 kA、59.3 kA、46.1 kA和45.1 kA。

单相接地短路电流如图10所示。

图10 单相接地短路电流

从图10可知，新建220 kV彩北站后：

(1)三相短路电流均有所降低，其中五彩湾750 kV、五彩湾220 kV、彩虹220 kV和彩霞220 kV三相短路电流降低1.6 kA、6.5 kA、14.4 kA和2.5 kA。

(2)单相接地短路电流降低，分别降低2.8 kA、1.3 kA、2.4 kA、0.6 kA，但五彩湾220 kV单相接地短路电流仍然超标。

(3)中性点加装阻值10 Ω小抗时单相接地短路电流为59.1 kA，可以控制在60 kA以内，考虑限制短路电流效果和裕度，建议加装12 Ω小抗。

3.2 快速开关短路电流抑制分析

某有源电网通过某变电站与新疆主网相连，规划网架简约图如图11所示。由于该地区电网主要存在三相短路问题，因此采用快速开关抑制短路电流方法。

图11 五彩湾地区地理接线图

经计算发现，该地区仅220 kV凤凰变三相短路故障时短路电流超标，该220 kV变电站发生三相短路故障时对主网750 kV变电站在正常运行和检修方式下产生分支电流为5.03 kA和4.82 kA，因此将快速开关动作定值设置为一个区间，如设置为4.8 kA～5.2 kA，仅在故障电流在此范围内的时候动作，可极大程度降低快速开关误动的风险。

某有源电网与变电站双回线投运过程中将出现单回路和双回路，其串10 Ω限抗电抗器前后的短路电流对比如图12所示。

图12 短路电流对比

由图12可知，双回路无串抗短路电流为49.9 kA，考虑到系统的动态变化存在短路电流超标风险，串抗10 Ω后，短路电流降至47.8 kA，满足稳定运行要求。

4 结论

(1)单相接地电流超标严重时，主要采用中性点串小抗限制短路电流方法，该方法随着中性点小电抗阻值增大，单相接地短路电流限制边际效果逐渐降低；中性点串小抗方法虽然造价成本较低，但是会对零序电流和零序阻抗产生影响，对保护定值影响较大。

(2)针对某有源电网与主网联网工程中出现的三相短路电流超标问题，采用快速开关限抗器限制短路电流的方法，可以有效抑制短路电流超标问题；采用分支线路接线抑制的方式，可以降低快速开关动作次数，延长快速开关寿命，减少快速开关成本造价过高的影响。