河北省南部電網短路電流分析及限制措施

李曉明，趙琛瓏，段曉波，王 穎

(河北省電力研究院，石家莊 050021)

1 概述

隨著電網規模的不斷擴大，電源容量的快速增長，河北省南部電網(簡稱“河北南網”)短路電流水平增長迅速，部分變電站短路電流已接近現有設備的額定遮斷容量。短路電流超標已成為網絡規劃、電源和變電站接入的一個制約因素，不利于電網規劃和發展。根據河北南網2010年規劃方案，對河北南網全網500 kV/220 kV母線三相、單相短路電流進行了計算。根據現有斷路器最大遮斷容量標準，可認為變電站500 kV側母線短路限制水平為63 kA，220 kV側母線短路限制水平為50 kA。當計算結果超過上述數值時，即認為該變電站短路電流水平超標。現階段河北南網短路電流問題主要存在于500 kV樞紐變電站，因此表1只列出了500 kV變電站的短路電流計算結果。

表1 500 kV變電站短路電流計算結果 kA

由表1可知，2010年河北南網500 kV/220 kV母線短路電流水平將增長迅速，但均未超出斷路器額定遮斷電流。其中，500 kV側短路電流最高的為石北變電站，三相短路電流為55.4 kA。220 kV側短路電流，廉州三相/單相、清苑單相短路電流均已超過49 kA，存在超標的風險。另外，還有5座變電站三相或單相短路電流達45 kA以上，需要密切關注。

2 河北南網短路電流快速上升的原因

a. 電源大規模集中接入。河北南網內部及區外受電的大型電源落點集中在沿京廣線的保定-石家莊-邢臺-邯鄲南北電力主干通道上，造成保北、清苑、石北、廉州、藺河等變電站短路電流偏高[1]。電源大規模集中接入雖然緩解了河北南網長期缺電的局面、提高了電網的安全穩定水平，但也是造成河北南網短路電流水平快速上升的主要原因。

b. 500 kV/220 kV電磁環網運行。電磁環網在電網發展初期，對于提高電網運行可靠性、獲取最大的輸送能力有其積極意義。但當500 kV網架得到加強后，電磁環網運行又會造成500 kV、220 kV變電站短路電流過大的問題。目前河北南網邢石、邢衡電磁環網已解開；石保之間，邯邢之間，保定、衡水和滄州電網之間仍然維持電磁環網運行。

c. 地區內部電網結構不清晰。電網結構的合理配置不但是系統安全穩定運行的基礎，也是限制短路電流水平的基礎。目前，河北南網部分地區500 kV變電站供電范圍不明確，使得220 kV電網結構不夠清晰，單環網、雙環網、環套環網、地區內部電磁環網也是短路電流上升的原因之一。

d. 變壓器設計臺數及設備選型不合理。河北南網各級變電站規劃設計臺數較多、布點較少，且主要為低阻抗主變壓器，另外，由于500 kV變電站均為自耦變壓器，高中阻抗較小，這些都造成了系統短路電流偏高。

e. 500 kV變電站的大容量主變壓器與220 kV側的大電源接入同時存在也是河北南網部分地區220 kV電網短路電流快速上升的重要因素。

3 河北南網限制短路電流的措施

3.1 合理規劃大型電源的接入方式

河北南網大多數電廠通過高壓母線并入電網，考慮到降低短路電流的需要，建議新建電廠適當提高升壓變壓器阻抗，增加單元制接線接入系統方式[2]，以降低系統短路電流水平；若新建機組容量稍大，近區負荷不能消納，可接入500 kV電網，對控制近區220 kV短路電流大有益處；區外受電及大型電源落點應分散接入500 kV主干電網，可分散短路容量，避免某一點短路容量過大。

3.2 優化網絡結構，分層分區運行

結構合理的網架是改善和解決短路電流問題的有利條件。500 kV網架結構應滿足如下要求： 500 kV變電站接入電源不宜太多，一般不超過2 400 MW； 500 kV出線回路不宜太多，一般不超過6～8回，輸入和輸出容量應該平衡；主變壓器臺數不宜太多，一般不宜超過3臺，總容量不宜太大； 220 kV側接入的電源容量不宜太多；盡量避免電磁環網運行。

500 kV主干網加強后，逐步解開500 kV/220 kV電磁環網，形成以500 kV變電站為中心的供電區。供電區內220 kV電網宜形成花瓣型局部環網或呈雙回放射狀，各局部環網之間不要互聯；供電區內220 kV發電容量并網點不宜過于集中，需經論證合理后再投入負荷；供電區內逐步形成以220 kV變電站為中心的供電小區。

3.3 增大零序阻抗，減小單相短路電流

增大零序阻抗，減小單相短路電流，需要采取以下措施：500 kV主變壓器中性點裝設小電抗；減少220 kV變壓器中性點接地數量，如靠近500 kV變電站電氣距離較近的220 kV變電站經計算論證可以不接地，放射式終端220 kV變電站可以不接地； 500 kV變電站主變壓器采用全星形變壓器，弊端是不利于保護整定和諧波處理。

針對清苑站220 kV母線單相短路電流偏高的問題，可采取在清苑主變壓器中性點加裝5 V小電抗措施。采取該措施后，清苑主變壓器220 kV母線單相短路電流由49.6 kA降為42.3 kA，有效解決了單相短路電流偏高的問題。

電抗值過大有可能發生過電壓和不滿足絕緣要求的問題。變壓器中性點加裝的電抗要適宜，只要使單相短路電流降至三相短路電流之下便可。

3.4 采用高阻抗變壓器

500 kV變電站采用普通三繞組變壓器或采用高阻抗的自耦變壓器。普通三繞組變壓器高中阻抗較自耦變壓器大，可以有效的限制220 kV側的三相短路電流和單相短路電流，在這方面河北南網已有運行經驗，但變壓器的造價較高。河北南網早期的220 kV變電站由于均為自耦變壓器，出現了110 kV側短路電流過大問題，將自耦變壓器改造為三繞組變壓器后，有效遏止了110 kV側短路電流的上升，后期及現有的220 kV變電站均采用了三繞組變壓器，110 kV側短路電流過大問題較少出現。采用高阻抗自耦變壓器也可以減小220 kV側短路電流。

高阻抗變壓器對系統無功電壓、損耗、電壓穩定和暫態穩定有不利影響，因此在選擇是否采用高阻抗變壓器時，需要綜合考慮系統的短路電流、無功電壓和系統穩定問題[3-5]。

3.5 500 kV變電站220 kV側分列運行

打開500 kV變電站220 kV側母線分段斷路器，使主變壓器分列運行，可減少220 kV側短路電流。同時，主變壓器分列運行也降低了電網供電可靠性和穩定性，需經潮流穩定計算校核。

4 典型案例分析

石家莊地區電網聯系緊密，電源接入容量大，造成了廉州及周邊220 kV電網短路電流偏高。圖1為廉州供電區示意圖。

圖1 廉州供電區示意

針對500 kV廉州變電站220 kV側短路電流過高的問題，綜合以上限制短路電流的措施，可對廉州變電站采取如下措施：斷開上安-大河雙回；斷開廉州-里豐；斷開系井-東寺，新建廉州-系井第二回；打開220 kV母線分段斷路器。表2為采取限流措施前后廉州220 kV母線短路電流情況。

表2 采取限流措施前后廉州短路電流水平計算結果kA

由表2可知，采取4種控制短路電流措施后，均可使廉州220 kV母線短路電流有所降低。其中，廉州220 kV母線分段使短路電流下降最多，但2010年廉州站只有2臺主變壓器，如果分段運行后，2臺主變壓器負荷分配很不均勻，1臺主變壓器停運，部分聯絡線路重載；斷開上安-大河雙回可使廉州220 kV側短路電流略有下降，但如果采取該措施后，因規劃中的橋西站并未由上安直供，將造成上安-銅冶雙回線路負載較重，不滿足N-1熱穩定校驗；采取斷開廉州-里豐和斷開系井-東寺、新建廉州-系井第二回2種措施均可使廉州220 kV短路電流有較為顯著的降低。針對以上4種限制廉州短路電流的措施，結合潮流計算結果，考慮工程量以及地區電網分區規劃，建議2010年首先采取斷開廉州-里豐措施，限制短路電流。

5 結束語

以上綜合分析了河北南網短路電流快速上升的原因，并提出限制短路電流的措施。針對2010年廉州和清苑變電站220 kV母線短路電流偏高的問題，經過計算，建議分別采取斷廉州-里豐220 kV線路、清苑主變中性點裝設小電抗措施，以限制2座變電站的短路電流。 控制短路電流是一項系統工程，必須從規劃階段開始，將網架結構、電源建設、電器設備的選型和系統運行方式進行綜合研究，才能制定合理控制措施，保證電網的安全穩定運行。

參考文獻：

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