國內(nèi)電網(wǎng)短路電流限制措施分析

侯國柱 計(jì) 偉 費(fèi)雪萍

（1.北方工業(yè)大學(xué)，北京100144；2.內(nèi)蒙古電力勘測設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特010020）

1 限制短路電流的必要性

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各地區(qū)對電力的需求不斷增加，電網(wǎng)負(fù)荷隨之加大，因此對電網(wǎng)的建設(shè)規(guī)模也進(jìn)一步提出了新的要求。目前最為常見的電網(wǎng)建設(shè)是500kV 的主網(wǎng)建設(shè)和220kV的配網(wǎng)建設(shè)，正是這兩類電網(wǎng)使得電網(wǎng)輸送能力得以進(jìn)一步提高，隨之也帶來了另外一些優(yōu)勢，例如：之前由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)松散稀疏引起的類似暫態(tài)穩(wěn)定等的問題都得到了有力的改善。

但是，這也導(dǎo)致了新的問題：電網(wǎng)短路容量隨著電網(wǎng)發(fā)展逐年呈現(xiàn)上升趨勢。目前而言，如何在電網(wǎng)迅速發(fā)展的大環(huán)境下有效控制短路電流的增長，逐漸成為電網(wǎng)控制管理部門面臨的決策性命題。一方面，由于不斷有新的電網(wǎng)項(xiàng)目建設(shè)和投入運(yùn)行，一些區(qū)域內(nèi)220kV 側(cè)的短路電流逐漸出現(xiàn)超過遮斷容量的趨勢；另一方面，有些來自500kV 變電站的單相短路電流也開始出現(xiàn)超標(biāo)的情況。這兩類超標(biāo)問題嚴(yán)重影響著電網(wǎng)的穩(wěn)定有序運(yùn)行，因此采取有效措施進(jìn)一步限制短路電流勢在必行。

2 國內(nèi)限制短路電流的主要措施

要想系統(tǒng)地控制短路電流是一項(xiàng)浩大的工程，就目前而言，國內(nèi)外的電力系統(tǒng)通常采取的限制短路電流措施通常都是從如下三個角度考慮的，分別為電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、限流設(shè)備以及運(yùn)行方式。國內(nèi)目前表現(xiàn)最為成熟而且執(zhí)行力最好的限制短路電流措施是提升電壓等級，進(jìn)而使低一級電網(wǎng)分層分區(qū)運(yùn)行。另外還有如下常用措施：提高斷路器遮斷容量、變電站母線分段運(yùn)行等。

2.1 通過提升電壓等級限制短路電流

一般來說，在高一級電壓等級的電網(wǎng)形成以后，既可對原有電壓等級的電網(wǎng)分層分區(qū)，分成幾個區(qū)域之后進(jìn)一步接入高一級電網(wǎng)。通常，大容量機(jī)組如果能直接接入更高一級的電網(wǎng)，原有電壓等級電網(wǎng)中短路電流就會下降。

例如，2020年前后內(nèi)蒙古電網(wǎng)將建設(shè)錫盟—北京東—天津—濟(jì)南—棗莊的東部送電通道、烏盟—北京西—石家莊的中部送電通道、鄂爾多斯—蒙西—晉中—晉東南的西部送電通道、蒙西—晉北—北京西—天津的橫向送電通道，送端建設(shè)鄂爾多斯—烏盟—錫盟雙回線路及上海廟—蒙西雙回線路。另外，考慮華北區(qū)域內(nèi)建設(shè)晉中—石家莊—濟(jì)南—濰坊的橫向送電通道，從而在整個華北區(qū)域內(nèi)形成一個特高壓電網(wǎng)，形成三縱三橫。目前初步估算，到那時內(nèi)蒙古電網(wǎng)主網(wǎng)架的電壓等級將由1 000kV 取代現(xiàn)有的500kV。經(jīng)過測算，蒙西電網(wǎng)實(shí)行這一電網(wǎng)主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)后，500kV 電壓等級的電網(wǎng)短路水平將會出現(xiàn)明顯下降。這就是通過提高電壓等級來限制電網(wǎng)中短路電路最為典型和成熟的方法。

2.2 通過在變壓器中性點(diǎn)加裝小電抗限制短路電流

這一措施是為了應(yīng)對500kV 變電站單相短路電流太大影響電網(wǎng)運(yùn)行而采取的，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是投資整體來說較低，且在最大程度限制短路電流的基礎(chǔ)上，施工量相對較少。采取這一措施之所以能夠有效限制單相短路電流，是因?yàn)樵诩友b了小電抗之后，該電抗值在零序網(wǎng)絡(luò)中將被放大。

電力行業(yè)對于中性點(diǎn)接地的方式有著嚴(yán)格的規(guī)范和要求，按照DL/T620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》中的有關(guān)規(guī)定，在330kV 和500kV 的電網(wǎng)系統(tǒng)中不允許變壓器中性點(diǎn)不接地就投入運(yùn)行，同時，在500kV 電網(wǎng)系統(tǒng)中，變壓器中性點(diǎn)按照規(guī)定要求只能直接接地或經(jīng)小電抗接地。對于小電抗的阻值，該規(guī)范中也明確指出：要根據(jù)電抗的通流容量和耐壓水平來選擇，不能過大或者過小［1］。

同時還要考慮避雷器的額定電壓等級，這是因?yàn)橹髯冎行渣c(diǎn)小電抗經(jīng)受的雷電過電壓與其緊密相關(guān)。避雷器依據(jù)其使用要求，不僅要充分滿足保護(hù)電網(wǎng)設(shè)備安全性的要求，也要能夠滿足其自身的安全性要求。結(jié)合上述因素考慮，要保證在正常情況下，變壓器中性點(diǎn)電壓為0；而在出現(xiàn)故障時，則要求避雷器額定電壓應(yīng)高于變壓器中性點(diǎn)的最高工頻電壓。按照GB311.7的有關(guān)規(guī)定，對設(shè)備進(jìn)行絕緣配合時，避雷器應(yīng)充分考慮所保護(hù)設(shè)備的額定耐受電壓，同時安全裕度系數(shù)這一反映避雷器保護(hù)水平的重要指標(biāo)也應(yīng)當(dāng)達(dá)到要求。

但是上述措施有一個明顯的局限性，即通常只對局部的單相短路電流有作用，對于三相短路電流，其完全無法達(dá)到控制和降低短路電流的目的。那么，如何才能限制三相短路電流呢？通常來說，采取的措施為優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步加以調(diào)整。

以往在變電站設(shè)計(jì)和建設(shè)時并不考慮遠(yuǎn)期加裝中性點(diǎn)小電抗的問題，造成后期加裝小電抗時空間和場地受限。這種情況下通常要改造主變系統(tǒng)，必然會導(dǎo)致主變較長時間停電、施工周期增長、資金浪費(fèi)等問題。因此，在500kV 變電站設(shè)計(jì)時，如果對該站遠(yuǎn)期單相短路問題研究不很明確，應(yīng)盡量在主變區(qū)域留下擴(kuò)建中性點(diǎn)小電抗裝置的空間和場地［2］。

2.3 采用高阻抗變壓器和發(fā)電機(jī)限制短路電流

探究短路電流產(chǎn)生的源頭，并從源頭上加以限制是一項(xiàng)重要措施。發(fā)電設(shè)備正是這一問題的一個重要源頭。要想有效局部控制短路電流，采用阻抗較高的發(fā)電機(jī)以及升壓變壓器都是行之有效的措施?？墒牵瑔我坏丶哟蟀l(fā)電機(jī)阻抗對系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定會帶來一定程度的損害。除此以外，還可能引起嚴(yán)重的漏磁現(xiàn)象。而單一地選取高阻抗變壓器也存在漏洞，其會一定程度上增加無功損耗，甚至引起嚴(yán)重的電壓降。

目前，我國電網(wǎng)10～500kV 變壓器采購標(biāo)準(zhǔn)有高阻抗變壓器系列，其在制造工藝上沒有技術(shù)問題，但市場價(jià)格略高，大約比普通變壓器貴10%左右。因此在短路電流超標(biāo)的情況下，如果為了節(jié)約用地，減少限流電抗器的使用，可以考慮選用高阻抗變壓器。

2.4 采用串聯(lián)電抗器限制短路電流

串聯(lián)電抗器目前在國內(nèi)外的實(shí)踐很多，其具有占地較小、投資合理等優(yōu)勢，但局限性也不容忽視，最大的缺點(diǎn)為增加了正常運(yùn)行方式下的網(wǎng)損。因此，盡管其運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富，但在實(shí)際運(yùn)行過程中也要結(jié)合工程的實(shí)際狀況，同其他幾類措施做好比較和篩選，再投入使用，以免帶來不必要的損失。

2.5 采用直流背靠背技術(shù)限制短路電流

該技術(shù)目前所需設(shè)備前期投資費(fèi)用相對較高，維護(hù)成本對應(yīng)也較高，雖然能夠較好地控制短路電流，但因上述局限性，目前采用的電網(wǎng)系統(tǒng)還比較少。

2.6 提高斷路器的遮斷容量限制短路電流

提高斷路器的遮斷容量無疑是一種良好的解決辦法，但從設(shè)備成本上來講造價(jià)高，而且實(shí)現(xiàn)起來較為困難。另外，目前我國這方面能力已達(dá)到一個較高水平，幾乎沒有改進(jìn)的空間。

3 結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，各地區(qū)對電力的需求不斷增加，電網(wǎng)負(fù)荷隨之加大，因此對電網(wǎng)的建設(shè)規(guī)模也進(jìn)一步提出了新的要求。各地區(qū)新的電源項(xiàng)目得以不斷投運(yùn)，造成我國部分區(qū)域220kV 側(cè)的短路電流水平大幅攀升，超過了開關(guān)的遮斷容量。本文詳細(xì)介紹了國內(nèi)限制電網(wǎng)短路電流的各種措施，對它們的特點(diǎn)、適用場合進(jìn)行了歸納和總結(jié)，可為實(shí)際工程提供參考，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

［1］賀健，劉洪濤，楊京燕.電網(wǎng)規(guī)劃中短路電流限制措施的研究［J］.中國電力教育，2007（S3）：50－52.

［2］周堅(jiān)，胡宏，莊侃沁，等.華東500kV 電網(wǎng)短路電流分析及其限制措施探討［J］.華東電力，2006，34（7）：55－59.