变电站短路电流超标分析及解决方案

张海锋

摘要：随着广东电网网架结构的不断加强及发电机组的增加，网络中短路电流水平越来越高，部分变电站母线短路电流已经超过了断路器开断能力，提前分析广东电网短路电流状况并研究防治措施成为国家电网迫切的需求。另外，“十三五”期间特高压交直流将接入广东电网，会进一步提升广东电网短路电流水平。因此如何经济有效的限制电网短路电流水平成为了目前制约电网发展的重大难题。

关键词：广东电网 短路电流 特高压

1 短路电流增大的原因及危害

电网的短路是指：各个变电站传输的电流相与相之间或相与地之间被小电阻的物体短接之后，形成的一种大电流通路。

引起短路电流水平持续升高的原因有发电机机组容量的增加、发电厂密集建设、主干系统线路短、跨省际联网等等。由于人们对环境保护、安全认识的提高以及资源分布和经济发展的制约，出现了单个发电厂发电机组数增多及多个发电厂集中建设的现象。随着电力系统的发展，跨省际联网虽在提高经济效益，减少电网安全事故上有着明显的优势，但却又给电网络带来了潜在的威胁，如使系统运行和管理更加复杂、片区个别问题可能导致连锁反应，造成大面积停电事故等。综上所述的原因，当短路电流水平超过电网承受的能力时，就必须采取必要的措施限制短路电流。对于江西电网而言，由于负荷过于集中，网架结构不断加强以及大量自耦变压器的使用等原因，使得江西电网短路电流水平不断攀升。

短路电流的危害主要有以下几个方面:

（1）短路故障电流一般要比正常电流大数倍，因而由短路电流的电动力效应引起的机械应力，可能会破坏电网支架。

（2）短路电流会使设备持续发热，使得电力设备超过耐热值而损坏。

（3）短路时会使系统电压下降，将给人们生活造成很大的影响，带来国民经济巨大损失等严重后果。

（4）当短路发生在电源近区且持续较长时，可能会使并列运行的电厂失去同步，电网失去稳定，甚至导致大片地区停电。这是短路故障最严重的后果。

（5）当发生不对称短路时，不平衡电流的产生会在周边形成很大的磁通，对周围的信号造成很大的干扰，对人民生活和交通带来严重的影响。电网短路电流的危害严重程度将随着短路电流的升高而增加，因此迫切需要采取有效的短路电流限制措施。

2 短路电流分析

2.1 短路电流等值研究模型

影响 220 kV 侧短路电流的因素主要包括所处220 kV 电网结构以及变电站主变压器等值阻抗等因素，不同站点、不同变电站的短路电流水平受二者影响程度不同。为确定变电站 220 kV侧短路电流超标机理，本文基于二端口网络等值模型对变电站短路电流的构成要素进行定量分析。

作为双端口网络，保留了变电站500kV和220kV母线。其中，Z_H1、Z_M1为变压器T形等值电路的正序阻抗；Z_H0、Z_M0、Z_L0为变压器T形等值电路的零序阻抗；其值代表了变电站变压器阻抗的大小，变电站下送负荷越大，变压器数量越多，其值越小。Z_eq1和Z_eq0为电磁环网的正序、零序等值联络阻抗，即从220kV母线出发经过500kV线路、又回到220 kV母线的网络等值阻抗；电磁环网越紧密，其值越小。Z_HS1、Z_HS0为500 kV母线对地的正序、零序等值阻抗，代表所有通过变电站500kV母线对故障点的转移阻抗值；500 kV电网电气连接越紧密，该值越小。Z_MS1、Z_MS0为220kV母线对地的正序、零序等值阻抗，代表220 kV电网对故障点的转移阻抗值；220 kV电网电气连接越紧密，该值越小。

根据短路点等值网络模型，500 kV变电站220 kV侧母线短路电流I_d为： I_d = I_H + I_M = 1/Z_H + 1/Z_MS ，式中：I_H、I_M分别为500 kV侧、220 kV侧系统提供的短路电流；Z_H、Z_MS分别为 500 kV 侧、220 kV 侧系统提供的等值阻抗。

2.2 短路电流构成分析

在对2025年短路电流水平预测的基础上，采用BPA 短路电流程序对变电站 220 kV 侧短路电流构成进行计算分析。三相短路电流构成分析可知，220kV侧所连系统提供单相短路电流、三相短路电流值均约30kA，占总短路电流的60%左右。可见，变电站作为地区枢纽变电站，与其他地区220 kV电网联络较为紧密，220 kV侧电源接入较多且距离系统较近，是短路电流过高的重要原因。

3 限流方案设计

目前，限制电力系统短路电流的方法主要有 3 种：一是优化电网结构，包括对环网结构进行解环、对主网架分区、对下一级电网分层分区、发展更高一级电压电网、扩大负荷中心环网结构、背靠背异步联网等；二是改变运行方式，包括变电站母线采用分裂运行方式、断开部分联络线运行等；三是采用限流设备，包括在主变压器中性点加装小电抗，在线路上加装高阻抗设备、串联电抗器、故障限流器等。考虑内蒙古电网实际情况，采用主变压器中性点加装小电抗、变电站母线分列运行、线路加装限流电抗器3种思路解决短路电流问题。

3.1 方案一

在崇文变电站不同出线侧分别加装 20 Ω串抗器，除了至变电站a，崇文变电站出线均为两回线，经对比发现，在“崇文—变电站b”和“崇文—变电站a”加装两个20 Ω串抗的情况下限流效果最显著，可分别将崇文变电站 220 kV 侧单相和三相短路电流降至 45 kA 和48 kA 左右。若“崇文—变电站 a”三回线路均加装20 Ω串抗器，则崇文变电站单相和三相短路电流可进一步降低至44.6 kA和47.2 kA。

3.2方案二

由于崇文变电站接带负荷多为辐射式结构，崇文1号主变压器220 kV侧以辐射式网架接带负荷约900MW、电源1400MW；崇文2号、3号主变压器 220 kV 侧以辐射式网架接带负荷约 500 MW，无电源，负荷、电源分布不平衡。而且，崇文2号、 3号主变压器侧与系统联络较弱，导致变电站a—崇文变电站潮流过重，超过了线路的输送能力，增大了系统的安全风险。

为解决变电站 a—崇文变电站线路过载问题，采用如下6个加强子方案，并进行比较分析。子方案 1：新建变电站 a—崇文两站双回线路；子方案 2：新建变电站 e—崇文两站双回线路；子方案3：将变电站e—崇文两站双回线路改接变电站e—变电站a；子方案4：变电站a破口变电站e—崇文两站双回线路；子方案5：将变电站e、b间隔互换；子方案6：将变电站e、c间隔互换。

在上述各子方案中，变电站 a—崇文变电站线路过载问题均能得到解决，220 kV侧短路电流能够控制在41 kA以下，且潮流分布较合理。其中，在子方案3，即主变压器在倒间隔的方式下，崇文2 号、3号主变压器短路电流最小；在子方案5和6，即倒间隔的方案下，崇文1号主变压器短路电流最小。但从供电可靠性的角度分析，上述3个子方案中，变电站a均通过一回线与系统联络，而子方案1、 2和4，崇文通过三回线与系统联络，供电可靠性更强。此外，从实施可行性角度看，子方案4、5和6，即破口和倒间隔方案下，需要对变电站 e 进行停电。其中，子方案 5 和 6 实施难度最大。从投资经济性的角度看，子方案1和2投资最高。

综合考虑短路电流、线路潮流、电压、实施可行性、投资因素，子方案4为主变压器分列运行方式下的最优加强方案。

结束语

在不同的规划目的与原则下，适合采取不同的方案，具体如下：若以保持电网灵活运行方式、可靠供电能力为优先原则，在投资较为充裕的条件下，推荐在变电站a—崇文三回出线分别装设20Ω串抗器；在投资有限条件下，推荐在变电站a—崇文两回出线分别装设20 Ω串抗器；若以短路水平最低为优先原则，则推荐采取主变压器分列运行方式，并通过变电站a破口变电站e—崇文两站双回线路解决崇文两站—变电站a线路过载问题；若以电网结构清晰、实施方式简单、投资小为优先原则，则推荐从断面b解环电网。

参考文献

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