隨筆之四-電網短路電流問題及措施

既然今天很有動力，那就寫一點吧，根據前面的提綱的話，隨想一和二要好好考慮下，所以先從隨想三開始吧，這部分暫時涉及不到非洲工程的實踐，因為非洲國家的短路電流問題不嚴重，是國內一些工程和專題的總結。題圖為東京電網網路圖和500kV新豐州地下變，東京電網短路電流問題相當嚴重。

所謂短路電流，是電力系統設計里的一個重要參數值， 指的是電力系統在規定的運行方式下，關注點發生短路時的電流。它其實是一個矛盾值，它既反映了電力系統互相聯繫的緊密程度和穩定性（短路時，與關注點任一聯絡線都會為這點貢獻短路電流 ），也反映了該點發生短路時，短路電流的大小。短路容量小，系統不穩定，聯絡不強；短路容量大，短路電流超標，設備代價昂貴，控制措施複雜。

目前在電網聯絡越來越緊密的今天，短路電流超標是一個非常大的問題，是電力系統分析計算，方案設計的重要約束條件。（短路電流是電網設備選型基本條件：主要是斷路器遮斷電流，220kV目前主流為50kA，500kV主流為63kA，短路電流超出遮斷容量意味著安全隱患，故電網短路電流數據的提高意味著不滿足要求的設備要予以更換，不僅造成電網投資的重大浪費，而且危及電網的安全運行）

一、短路電流的影響因素

• 發電機對短路電流的影響

根據相關計算和研究，300MW、600MW機組接入220kV系統，對附近母線提供的短路電流分別為2kA、4kA；600MW機組接入500kV系統對附近母線提供的短路電流為2kA。下圖為某1000MW機組接入某500kV系統後對短路電流的影響。

• 降壓變對短路電流的影響

1）不同短路阻抗的500kV降壓變對220kV側短路電流的影響

若將2台短路阻抗均為12%的變壓器換成短路阻抗為15%的並列運行，則其對220kV母線提供的短路電流將降低3~5kA；若換成短路阻抗為20%的並列運行，則可降低 7~ 11kA。新建或擴建的500kV變電站選擇高阻抗變壓器可有效降低220kV短路電流。（高阻抗壞處在於網損大，運行效率滴）

2）不同主變配置（短路阻抗為15%）對220kV側短路電流的影響

當500kV側短路電流為60kA時，3台750MVA、3台1000MVA、3台1200MVA主變並列運行時向其220kV側提供的短路電流分別達到29kA、35.8kA、40.7KA；四台可分別達到36.7kA、45kA、50.6kA。所以在一座500kV變電站有3~4台主變後一般考慮分母降低其220kV側短路電流 。（下表為實際工程中計算分析得出）

二、降低短路電流的措施

• 500kV層面短路電流解決措施

1）變電站母線分段運行。不同變電站出線連接於不同母線上，減少線路之間的電氣聯絡，目前實際生產過程中經常採用此種措施限制短路電流，效果較好，但分母運行帶來的是供電可靠性的降低，需權衡考慮。以下即為荊門特高壓500kV側分母運行方案，效果很好，但由於影響可靠性，且特高壓安全非常敏感，所以一直不能實施。

2）線路加裝串聯電抗器。舉例說明：8Ω的串聯電抗器阻抗標幺值為0.0032，相當於50km導線型號為4×LGJ-500的線路，拉長電氣聯絡，降低短路電流 。 這個措施目前在上海的500kV黃渡-泗涇線路已經實施，三峽近區的一些重要線路也將實施此類工程，其中有項可研為本人負責，也去500kV泗涇變考察過，感覺這個措施屬於治根不治本，可以滿足階段性要求，但存在很多問題，比如會增加網損，還會降低系統的穩定性，而且無功的需求也會增加，特別是考慮N-1的時候。

3）500kV網路結構優化，這類措施不太好深入探討，依賴於實際情況和分析計算。

• 220kV層面短路電流解決措施

1）分區分片運行。分片分區是降低短路電流最直接、最有效的措施。以北京電網為例：主要以2~3個500kV變電站的一段220kV母線為中心，將220kV電網劃分為幾個區，形成以相鄰的500kV變電站的220kV母線為供電中心的雙環網結構，各分區電網之間在正常方式下相對獨立，各分區220kV電力可互相支援，滿足500kV主變和220kV線路穩態N-1、N-2的要求。 上海電網思路與此不同。

2）其他措施。比如高阻抗設備，線路調整，220kV分母運行等，也是有效手段，但是不如分區分片運行，來的根本，所以電網220kV層面分區分片運行及相關網路分析優化，是限制短路電流的根本措施，也是目前各個省公司重點開展的工程依據。

三、國外限制短路電流的措施

• 三相短路電流 ：短路電流水平較高的國家如德國、法國等都採取了在發生故障時快速解列，將母線分段來限制短路電流值。母線解列措施雖然簡單易行而且效果顯著，但一般只在必要時才採用，因為它可能降低系統的安全裕度，限制運行操作和事故處理的靈活性。國內比較注重安全，所以用的不多，其實也就是一個思路的問題，個人覺得是比較不錯的措施。
• 單相短路電流 ：單相接地短路電流的大小，主要和系統中性點接地方式及迴路的零序阻抗有關。 法國採用變壓器中性點經小電抗接地的方式，德國不採用自耦變壓器作為系統聯絡用來限制單相短路。 有些國家110kV 及以上電壓電網中的變壓器中性點全部直接接地，造成系統的單相接地短路電流大於其三相短路電流，如英國、俄羅斯都是。還有一些國家如美國在有些電力系統中將系統內一部分大容量的Y/Y/△( 500/230/35kV)自耦變壓器的△側開口運行以增加變壓器的零序阻抗。但不少國家則認為這樣作對運行不利。葛洲壩大江電站的發電機變壓器組主變壓器500kV側中性點設計安裝了經小電抗接地，既解決了單相接地短路電流過大的問題也解決了水電廠機組多，運行方式變化大，系統接地短路電流變化過大，使接地保護整定困難的問題。

四、短路電流與分區供電詳述

比較詳細的計算分析過程總結。

• 模型和假定

對於「獨立分區」電網，可以簡單的以下圖來模擬。線路XL代表地方電廠至分區500kV變電站的等值線路；S1..S4代表500kV變電站中配置同類型或者不同類型的變壓器。

對於「互聯分區」電網，可以用下圖的電網結構來模擬。圖中元件的意義與上圖相同。

假定條件：

1） 主變變比525kV/242kV/35kV；

2） 根據目前設備的製造能力，新建變電站遠景短路電流水平，500kV母線按照63kA控制，220kV母線按照50kA控制；

3） 變電站單台變壓器的最大容量，並列運行的變壓器台數，應使220kV母線短路容量不超過允許值；

4） 由於主變並列運行時500kV母線和220kV母線的短路電流只受主變高中壓短路電壓百分比的影響，僅就主變高中壓側短路電壓百分比進行分析。

5） 由於電網中電阻遠小於電抗，忽略電網和主變中電阻的影響。

6） 由於220kV母線兩相接地短路電流水平一般相對較低，而單相接地短路電流水平可以通過在主變中性點加裝小電抗使其降低到與三相短路電流相近，因此下面僅對變電站母線三相短路進行分析。

7）所取500kV主變高中側短路電壓百分比均在國內目前適用的範圍內，均不超過20%。變壓器的短路電壓百分比超過20%會產生兩個弊端，首先是無功電壓平衡和電壓穩定問題，其次是暫態穩定問題。

• 220kV母線短路電流計算模型

500kV變電站的220kV母線短路電流主要由兩部分組成：500kV系統通過變壓器向220kV母線注入的短路電流（簡稱500kV短路電流分量）和220kV電網注入變電站220kV母線的最大短路電流分量（簡稱「220kV短路電流分量」）。

在分區電網中，在圖61所示的元件參數下，500kV系統通過變壓器向220kV母線B242注入的短路電流為：

由上式可見，500kV系統通過變壓器注入220kV系統的短路電流和500kV系統的短路容量、變壓器的容量和短路電壓百分比有關。

220kV短路電流分量主要與220kV地方電廠的容量、接入方式、電網結構等有關。

• 500kV系統提供的短路電流分析

假設變電站中的變壓器均為同類型，下表給出了不同容量配置的變壓器在500kV系統注入短路電流不同時，注入220kV母線的短路電流值（其中容量為750MVA、1000MVA、1500MVA的變壓器短路電壓百分比分別取為12％、16％、19％）

由此可見，變壓器容量越大，每100MVA變電容量向220kV母線提供短路電流越小。

• 220kV獨立分區電源配置及供電能力

以500kV短路電流分量為限制，計算220kV短路電流分量的最大值，從而推導220kV獨立分區的電源配置。220kV獨立分區的供電能力等於500kV變電站的供電能力與220kV地方電廠供電能力之和。

1）地方電廠提供給220kV母線的短路電流

在220kV獨立分區中，根據圖1所示的電廠和升壓變參數下，地方電廠提供給分區母線B242的短路電流如下式：

不同容量機組接入500kV變電站對其220kV母線的短路電流貢獻。（當機組容量為600MW時，Xd」取0.2，其他容量的機組Xd」取0.16，升壓變短路電壓百分比全部選擇為17％，即Xd」+Uk=0.33~0.37，取0.8~0.85，電廠連接500kV變電站220kV母線的等值220kV線路長為50km，導線型號為LGJ-2*630。）

（1） 電廠對500kV變220kV母線的短路電流貢獻約為（0.6~0.7）kA/100MW左右。

（2） 一台300MVA機組接入系統，可提供2.1kA左右的短路電流分量；一台400MVA機組接入系統，可提供2.5kA左右的短路電流分量；一台600MW機組接入220kV系統，可提供3.8kA左右的短路電流分量。

（3） 機組容量在300MW及以上，總量為1200MW規模的電廠接入220kV電網，可能給220kV系統提供的短路電流水平為6.9~7.4kA左右，總量為1800MW規模的電廠接入220kV電網，可能提供的短路電流水平約為12.4kA。

（4） 地方電廠接入500kV變電站的等值距離越遠，提供短路電流越小，反之越大。

2）地方電廠提供給500kV母線的短路電流

在220kV完全分區中，地方電廠提供給500kV母線的短路電流如下：

不同容量機組按50km線路接入500kV變電站時對其500kV母線短路電流貢獻估算。

1) 經過計算，220kV電廠接入系統後注入500kV側的短路電流遠小於其注入220kV母線的短路電流，約為（0.18~0.27）kA/100MW左右；

2) 機組容量總量為1200MW及以上規模的電廠接入220kV系統，提供給500kV母線的短路電流水平為2～3kA之間。相對於500kV電網注入500kV側的短路電流而言，接入220kV的電廠機組對500kV側的短路容量影響甚微。

3) 同樣，地方電廠接入500kV變電站的等值距離越遠，其提供的短路電流越小，反之越大；而若電廠的規模越大，其提供的短路電流越大，反之越小。

2）供電能力分析

220kV獨立分區供電能力的大小取決於分區內500kV變電站主變的運行情況（並列運行或分列運行）、500kV變電站500kV母線的短路電流水平、分區內的電廠容量和分區電網的網路接線。

採用750MVA主變時：

一般來說，變電站的變壓器考慮1.3倍的過載能力，變電站只考慮配置同類型的變壓器，且系統具備在變壓器允許過載時間內使方式調整至變壓器不過載。

當分區電網的500kV變壓器選擇單台容量為750MVA，短路電壓百分比為12％，主變台數為2~4台時，此分區供電能力約為4400～4700MW左右，且分區負荷轉移能力隨著變壓器台數的增加呈正比增加。

採用1000MVA主變時：

因此，當分區500kV變選擇短路電壓百分比為16％，單台容量1000MVA的主變時：

(1) 當變電站主變台數為2~4台時，分區供電能力約為5000～5400MW左右，且分區負荷轉移能力隨著變壓器台數的增加呈正比增加。

(2) 從運行角度出發，分區電源容量不宜超過4000MW，否則會因機組提供的短路電流過大，導致分區在只有兩台500kV主變的情況下，500kV變電站220kV被迫分母運行，降低了供電可靠性和運行靈活性。

採用1500MVA主變時：

變壓器容量為1500MVA，短路電壓百分比取19％，主變配置台數不同時分區內供電能力變化較大，在5000～6400MW之間，分區內每增加一台主變將增加500～800MW的供電能力；分區負荷轉移能力隨著變壓器台數的增加呈正比增加。可見1500MVA的主變適用於分區負荷較大，地方電廠較小的分區。

結論：

(1) 對於無源分區：

對負荷預測值為4000MW以下的分區，可優先考慮用750MVA的變壓器，短路電壓百分比為12％及以上；

對負荷預測值為4000～5000MW的分區，可優先考慮用1000MVA的變壓器，短路電壓百分比取16％及以上；

(2) 對於有源分區：

變壓器的容量不宜選得很大，否則，分區的供電能力將不升反降；

對負荷預測值為4000MW以下的分區，可優先考慮用750MVA的變壓器，短路電壓百分比為12％及以上；

對負荷預測值為4000MW以上的分區，可優先考慮用1000MVA的變壓器，短路電壓百分比取16％及以上，盡量控制分區內的電源規模。

• 220kV互聯分區電源配置及供電能力

為便分析，設分區內500kV變電站配置完全相同，站間距離為100km；750MVA變壓器短路電壓百分比取12％，1000MVA變壓器短路電壓百分比取16％，1500MVA變壓器短路電壓百分比取19％；地方電廠均以50km距離接入互聯繫統。

1）短路電流分析

互聯距離為100km時，500kV變電站主變不同配置下，分區間相互提供給220kV母線的短路電流值大都在7kA左右，而短路電流值將隨著互聯分區間的距離的減少而增加。分區間相互提供給變電站500kV側母線的短路電流還與主變的短路電壓百分比相關，短路電流值相對較小，電磁環網運行對500kV側的短路容量影響甚微。

打開分區間的聯絡線，可以降低互聯繫統變電站220kV母線的短路電流，而變壓器運行方式由並列運行調整為分列運行時也可以降低短路電流。互聯分區間的聯絡線路解環運行亦或主變分列運行對降低220kV母線短路電流與互聯分區間的電氣距離有關。

經過計算得出，4台變壓器並列運行（容量為750~1500MVA），當互聯距離為31~38km 時，提供的短路電流值與500kV變電站並列運行調整為分列運行減少的短路電流值相等。

2）地方電廠接入能力分析

隨著500kV系統注入短路電流的增加，可接入電廠的機組容量逐漸減少；隨著互聯繫統主變容量的增加，可接入電廠的機組容量逐漸減少。

由前面的理論知識可知，允許接入電網的最大機組還與變壓器短路電壓百分比以及互聯分區間距離等因素有關，可以得出以下結論：在500kV系統注入電流恆定時，隨著變壓器短路電壓百分比的增加，可接入的地方電廠容量逐漸增加；變壓器短路電壓百分比保持不變時，可接入電廠的機組容量隨著互聯分區間距離的增大而增加。

可見：500kV系統注入短路電流為55kA時，分區互聯後，可接入地方電廠機組容量減少約1000MW左右。

3）供電能力分析

主要考慮形式為「2台-2台」方式運行時的供電能力研究。

互聯分區適用於無源區域或者地方電廠容量較小的區域，將兩個500kＶ供區互聯運行可以提高各自的供電可靠性，同時限制了接入地方電廠的能力，但是由於互聯運行後500kV主變負載率的提高，綜合來看，由表614可知，當500kV系統注入短路電流小於55kA時，互聯分區電網的供電能力將大於相應兩個獨立分區電網的供電能力之和，而大於55kA時則比其小。

• 電網分區規模和分區數量的估算

負荷值和500kV變電站個數對220kV分區劃分的影響是存在聯繫並共同起作用的。

以上。
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