電力系統(tǒng)中短路電流的危害及限制措施

喬險峰 單汝濤 王飛

摘要：隨著社會經(jīng)濟發(fā)展的日新月異，現(xiàn)代社會對電的依賴性越來越強，特別是高速鐵路、煤礦、化工等重要用戶對電能質(zhì)量、安全性、可靠性也提出了更高的要求。運行經(jīng)驗表明，短路故障嚴(yán)重威脅著電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，同時影響著對這些重要用戶的可靠供電。文章介紹了短路電流的危害及限制措施。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；短路電流；危害；限制措施；短路故障；電網(wǎng)運行 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM732 文章編號：1009-2374（2016）27-0133-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.27.062

1 短路電流的概念及危害

1.1 短路電流的概念

所謂短路電流是指電力系統(tǒng)中，相與相之間或相與地之間不等電位短接時產(chǎn)生的電流。短路電流要遠遠大于正常的額定電流。大容量電力系統(tǒng)中，短路電流可高達數(shù)萬安培，嚴(yán)重威脅著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

1.2 短路電流帶來的危害

發(fā)生短路時，系統(tǒng)阻抗迅速減小，流過短路點的電流迅速增加，開關(guān)、刀閘、電流互感器、母線等電氣設(shè)備需要承受較大的短路電流沖擊，短路電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)會破壞電氣設(shè)備的熱穩(wěn)定；而暫態(tài)過程中的短路沖擊電流將在電氣設(shè)備上產(chǎn)生一個超過設(shè)備耐受極限的電動力，從而破壞電氣設(shè)備的動穩(wěn)定；短路電流增加會造成設(shè)備溫度升高，接線端子過熱，加劇設(shè)備的絕緣老化，降低設(shè)備的使用壽命；過大的短路電流還會造成斷路器開斷能力不足，使斷路器不能有效切除故障，從而造成事故擴大；接地短路時的入地短路電流還會對臨近的通信線路或鐵路信號產(chǎn)生電磁干擾，更重要的是還會在接地短路點附近產(chǎn)生較高的接觸電壓和跨步電壓，嚴(yán)重威脅著人身和設(shè)備的安全。

2 限制短路電流的方法

2.1 做好電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計

電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計在限制短路電流方面的作用不容忽視，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理就能將短路電流限制在一定范圍內(nèi)。這要求我們的電網(wǎng)設(shè)計部門對各種設(shè)計方案進行短路計算。一般是計算今后10年左右最大運行方式時三相短路和單相短路接地時的短路電流，并根據(jù)短路電流的計算結(jié)果，經(jīng)過比較，篩選出最優(yōu)的電網(wǎng)設(shè)計方案，另外還要考慮到電網(wǎng)互聯(lián)的情況。因為該區(qū)域電網(wǎng)的短路電流并不僅僅由該局部電網(wǎng)自身所決定，還與互聯(lián)電網(wǎng)的電壓等級、電源容量、電源接入方式、中性點接地的數(shù)量有關(guān)。總之，從電網(wǎng)規(guī)劃的角度來控制短路電流意義重大。

2.2 變壓器的短路阻抗要選擇適當(dāng)

變壓器的短路阻抗百分比是變壓器的一個重要參數(shù)，它表明變壓器內(nèi)阻抗的大小，即變壓器在額定負(fù)荷運行時變壓器本身的阻抗壓降大小。它對于變壓器二次側(cè)發(fā)生突然短路時，會產(chǎn)生多大的短路電流有著決定性意義。短路阻抗大，當(dāng)二次側(cè)發(fā)生短路時產(chǎn)生的短路電流小，變壓器所承受的電動力就小，所造成的破壞也小。但是變壓器的短路阻抗不能一味地增大，因為變壓器的短路阻抗增加了，變壓器損耗、體積、重量、絕緣、成本等也會相應(yīng)增加。而且短路阻抗增加到一定程度后，會增大變壓器設(shè)計制造難度，還會帶來變壓器局部過熱問題，同時變壓器本身損耗也會增大。如果短路阻抗選擇過小，二次短路時產(chǎn)生的短路電流大，變壓器繞組發(fā)熱嚴(yán)重，承受的短路電動力也很大，同時會對電網(wǎng)中的設(shè)備造成很大沖擊。為了防止電氣設(shè)備的熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定破壞，在設(shè)備選型時要加大短路容量，需要選擇重型設(shè)備，因此會增大投資。另外，變壓器短路阻抗選擇適當(dāng)不僅對變壓器本身有利，還對限制下一級電網(wǎng)的短路電流和降低設(shè)備造價起到重要作用。綜上所述，應(yīng)根據(jù)變壓器所在系統(tǒng)條件盡可能選用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)阻抗值。為了限制過大的短路電流，設(shè)計部門應(yīng)通過經(jīng)濟技術(shù)比較并根據(jù)變壓器是分列運行還是并列運行來決定變壓器的短路阻抗。

2.3 使用限流電抗器

電抗器主要是利用電感電流不能突變的原理來防止突變涌流電流，從而達到限制短路電流的目的。加裝串聯(lián)電抗器以后，系統(tǒng)阻抗變大，如果串聯(lián)電抗器選擇適當(dāng)，可以有效抑制系統(tǒng)的短路電流，并能取得明顯的經(jīng)濟效益。

串聯(lián)電抗器一般串接在變壓器低壓側(cè)、母線分段回路、線路出口側(cè)，串聯(lián)電抗器技術(shù)接線簡單、性能安全可靠。但是由于電抗器的串聯(lián)接入，加大了系統(tǒng)阻抗，使系統(tǒng)電壓下降，無功損耗增加，同時對系統(tǒng)的潮流分布也產(chǎn)生了一定影響。因此，串聯(lián)電抗器的選擇應(yīng)經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較確定。規(guī)程規(guī)定，對于電抗率大于3%的電抗器需進行動穩(wěn)定校驗，同時還要校驗正常工作時的電壓損失和短路時母線上的剩余電壓。同時串接電抗器的過負(fù)荷能力要滿足在1.1倍額定電壓和1.3倍額定電流下連續(xù)運行，電抗器的絕緣水平也應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求。

隨著電網(wǎng)技術(shù)的日新月異，近年來出現(xiàn)了一種新的短路電流限制技術(shù)——可控串聯(lián)電抗器。這種限流電抗器具有自動跟蹤功能，其容量大小能夠隨著傳輸功率的大小而自動變化，具有正常方式下“零阻抗或低阻抗，發(fā)生短路故障時的極短時間內(nèi)呈現(xiàn)高阻抗”的特性。應(yīng)用最為廣泛的是晶閘管電抗器，當(dāng)正常運行時，電流由晶閘管導(dǎo)通，電抗器被短接，一次側(cè)阻抗很小；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障，一次側(cè)流過短路電流時，晶閘管開斷接入可控電抗器，一次阻抗加大，能大幅度地限制短路電流。這項技術(shù)具有良好的發(fā)展前景，相信在不久的將來，隨著電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，這項技術(shù)必將在輸配電系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

2.4 采用直流輸電

直流輸電系統(tǒng)由換流變壓器、整流器、直流線路和逆變器等直流設(shè)備組成。直流輸電具有交流輸電無法比擬的優(yōu)勢，其中“定電流調(diào)節(jié)特性”是直流輸電系統(tǒng)的重要特點。通過控制換流器觸發(fā)相位，快速調(diào)節(jié)直流系統(tǒng)，自動地使直流電流保持為定值，有效地限制了與之相連的交流系統(tǒng)短路電流和短路容量的增大。

2.5 電網(wǎng)分層分區(qū)

所謂分層分區(qū)是指按傳輸能力的大小和電網(wǎng)的電壓等級將電力系統(tǒng)分為若干結(jié)構(gòu)層次，在不同層次按供電能力劃分為若干區(qū)域，使各區(qū)域內(nèi)電力負(fù)荷的供需基本平衡。電網(wǎng)分層分區(qū)可以明顯降低大系統(tǒng)帶來的潛在威脅，比如高低壓電磁環(huán)網(wǎng)引發(fā)的系統(tǒng)穩(wěn)定破壞和局部電網(wǎng)問題誘發(fā)的連鎖反應(yīng)等。

隨著高一級電網(wǎng)的建設(shè)，下級電網(wǎng)應(yīng)逐步實現(xiàn)分區(qū)運行，避免和消除嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定的不同電壓等級的電磁環(huán)網(wǎng)。

伴隨著社會用電量的持續(xù)增長和電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模的不斷加大，電網(wǎng)間的互聯(lián)日益增強，500kV和220kV電網(wǎng)接線越來越趨于復(fù)雜，不同電壓等級間的環(huán)網(wǎng)增多，220kV系統(tǒng)短路電流越來越接近甚至超過斷路器遮斷容量，某些500kV變電站的單相短路電流也開始出現(xiàn)超標(biāo)的情況。以上因素使得電網(wǎng)發(fā)生事故的概率加大，系統(tǒng)安全穩(wěn)定性降低。在采用母線上加裝分段電抗器、增大變壓器的阻抗等常規(guī)限流措施效果不理想時，電網(wǎng)分層分區(qū)就成為降低系統(tǒng)短路電流的重要手段。

以吉林省電網(wǎng)為例，已經(jīng)實現(xiàn)了“電磁解環(huán)”，即各220kV線路以各自的500kV變電站為核心，兩個不同500kV變電站之間的220kV線路分網(wǎng)分區(qū)運行。幾年來的運行實踐證明，這種方法在降低系統(tǒng)短路電流水平方面作用明顯，大大提高了電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性。

2.6 采用快速可靠的繼電保護裝置

繼電保護裝置是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，在電力系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用。繼電保護裝置正確動作了，才能將故障點有效隔離，才能保證不擴大事故范圍，從而將短路電流限制在一定范圍內(nèi)。繼電保護裝置的選型、配置是否適當(dāng)，定值整定以及上下級電網(wǎng)之間的保護配合是否合理，直接關(guān)系著電網(wǎng)中一次設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。

為了將短路時對系統(tǒng)的沖擊降到最小，電網(wǎng)中重要的設(shè)備如主變、母線、線路等需要配置快速保護，保證以最短的時限將故障設(shè)備從系統(tǒng)中切除。從短路分析可知，發(fā)生短路后約0.01秒短路電流瞬時值達到最大，其值約為短路電流周期分量有效值的2.55倍。對于330～500kV超高壓線路，采用雙套全線速動微機保護能夠保證近端故障時，保護動作時間不超過0.02秒、遠端故障時保護動作時間不超過0.03秒就切除故障，使電氣設(shè)備避免承受最大短路電流的沖擊，從而達到限制短路電流的目的，并防止了事故的進一步擴大，縮小了故障范圍，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對于220～500kV母線，裝設(shè)兩套母線保護，保證當(dāng)母線發(fā)生故障時能夠快速并有選擇地切除故障母線。對于主變，瓦斯保護與差動保護作為其主保護，都能保證零秒切除故障。其中瓦斯保護用來保護變壓器內(nèi)部故障，差動保護用來保護變壓器的套管及引出線故障。

隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，智能電網(wǎng)的發(fā)展和自動化水平的不斷提高，繼電保護裝置的微機化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化是必然的發(fā)展趨勢。由于數(shù)字式微機保護裝置合理的結(jié)構(gòu)和完善的性能，使其在速動性、可靠性等方面要遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的電磁型保護，因此具有良好的發(fā)展前景。未來數(shù)字式微機保護技術(shù)在限制系統(tǒng)短路電流方面的作用不可估量。

3 結(jié)語

近年來我國經(jīng)濟發(fā)展迅速，電力消費也迎來了一個高速增長的新時期。伴隨著電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模的加大和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的日趨完善，系統(tǒng)短路水平還將不斷提高，增長的短路電流已成為制約電網(wǎng)發(fā)展的重要因素，如何控制短路電流成為擺在電力科研工作者面前的首要課題。然而控制短路電流是一項任務(wù)艱巨而復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它要求電力科研工作者從電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計、系統(tǒng)運行方式等多方面綜合考慮，并結(jié)合每個電網(wǎng)自身的特點和當(dāng)前電力改革的實際，同時借鑒國外的先進經(jīng)驗，群策群力，積極探索、研究制定出切實可行的、合理的、有效的短路電流限制方案。

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作者簡介：喬險峰（1971-），男，吉林省四平供電公司調(diào)控中心工程師，研究方向：電網(wǎng)輸變電。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）