變電站增容引起低壓短路電流過大問題探究

孔德亮

摘 要：變電站增容后，在設備運行過程中容易因為產生的低壓短路電流，影響變電站各設備的運行性能。基于此，本文探討變電站的增容方案，首先介紹短路電流的相關規定，然后分析某變電站增容后的短路電流過大問題，最后提出限制短路電流的措施。

關鍵詞：變電站;增容;短路電流

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.190

0 前言

變電站增容后，電力系統運行出現了一些問題，甚至造成嚴重的電力故障。其最突出的是短路事故。對于某些行業而言，電力輸送保障具有重要意義，例如某一應用場景的變壓器中性點不接地系統、不直接接地系統，因為其產生的短路電流為設備運行產生較大影響。

1 低壓短路電流過大問題分析

（1）接地系統。以某變電站為例，通過在其變壓器中設置不接地、不直接接地系統，用以限制電纜接地電容電流，隨著線纜不斷延伸，故障線路的電流按照以下公式計算：Ic=（lk+35lL）/350A。其中U表示電網額定線電壓，kV;lk表示架空線路長度，km;lL表示電纜線路長度，km。通過以上計算公式，可以確定接地電容電流大小的決定因素是線路長度和線電壓，若是線路所鋪設的面積夠大，那么線路所傳輸的電容電流也隨之增大，能達到幾十安培。為了避免應用場所過高的電壓對用電的影響，根據安全規程的相關規定，對于采用的高壓電網，限制了單項接地電容電流，即最高不能超過20A。利用消弧線圈可以感知電路中的電壓、電流是同頻率正弦量，電壓的相位角為超前電流90度;因為電壓、電流是同頻率正弦量，以及電壓的相位角，在R、L、C串聯電路中，如果XL=XC，那么可以推斷出UL=UC，φ=0。通過以上計算，了解到電壓、電流同相，在這樣的電路安排中，盡管存在電感和電容，但整條線路為電阻性電路。基于這一原理，在安全規程允許內接地電容電流補償可以使用消弧線圈補償。例如，變電站持續建設，其線路分布面積不斷擴大，接地電容電流要求始終低于20A，因此在變壓器中性點設置上，采用不接地系統的方案[1]。

（2）供電系統。短路類型可以分為兩相、三相短路，特別是在變電站增容之后，其短路電流也隨之增大，在原有電氣設備沒有改造的前提下，對其安全性、穩定性有很大的影響。針對這一問題，需要選取重型電氣設備，但是過多的設備投入增加了改造成本，因此還要考慮其他限制短路電流的措施。本文所舉的供電系統例子，變電站額定斷流容量在100MVA，對于是否要采取限制短路電流的措施，要看供電系統額定斷流容量是否大于100MVA，若為是則采取相應措施。這時考慮到過大的額定斷流容量，因為電源開關切換，造成的短路故障。因為故障不能通過切除取消，使得故障擴大，威脅系統運行安全。

2 短路容量確定

電力系統的短路主要為無限大電源容量系統短路，其計算方法為對值法。這種電源容量系統，支持恒定的電壓，即電流可以根據需要自主調節，既內阻抗為零，在實際運行過程中所謂無限大容量電源不存在。但是，當短路點與電源之間的電器距離達到一定的程度，那么短路回路阻抗，通過檢測該短路點發現電流持續增大，電源電壓沒有明顯變化，由此可以認定該電壓為恒定值，將電力系統看作無限大電源容量系統。以某電站變電站母線短路容量，基準容量Sj=100MVA、基準電壓Uj=6.3kV、基準電流Ij=Sj/3*Uj=100/1.732*6.3=9.165kA。通過以上條件，可以確定電源系統的相對基準電抗（X0*j=Sj/Sx=100/100=1），高壓架空線路電抗基準相對值為0.116Ω，變壓器電抗基準相對值為0.937Ω，短路回路總基準電抗相對值為1.556Ω。以某變電站母線短路容量，可以確定基準容量、基準電壓、基準電流等因素。根據以上參數，可以確定電源系統的相對基準電抗，高壓架空線路電抗基準相對值為0.116Ω，變壓器電抗基準相對值為0.937Ω，短路回路總基準電抗相對值為1.556Ω。

3 變電站增容后限制短路電流的措施

以某110kV變電站為例，根據電壓等級短路電流分別為：110kV（31.5kA，40kA）、60kV（31.5kA）、35kV（25kA）、20kV（16kA，20kA）、10kV（16kA，20kA）。對于限制短路電流，需要在110kV低壓側選取較低的數值，從而實現中壓配電線路短路電流沿線遞減。

（1）更換10kV配電設備斷路器。由于面對用戶的變電站配電網復雜性，因此常規采用的斷路器為10kV，若是更換其他斷路器，那么變電站的改造將增加難度、資金投入和停電時間。基于企業運營和成本考慮，不建議在資金和時間不充裕的情況下，采用更換10kV斷路器的方案。

（2）主變壓器運行方式。為降低變電站設備的短路電流，還可以采用高阻抗變壓器的方法實現，以短路電壓百分數為17%的設備，計算10kV母線短路電流，從而可以明確變電站兩臺主變壓器運行過程中分列、并列狀態時短路電流分別為11.6kA、21kA。通過短路結算，可以發現采用高阻抗變壓器，有效降低變電站的短路電流，特別是在主變壓器以分列的運行方式，母線短路電流為11.6kA，滿足了對變電站降低和限制短路電流提升的要求。當主變壓器以并列的方式運行，10kV的母線短路電流為21kA。根據以上結果，斷路器的額定開斷電流為31.5kA，這樣的參數符合變電站的接入要求。額定開端電流，接近10kV配電設備斷路器額定開斷電流20kA。通過分列和并列兩種變壓器運行方式分析，可以確定后者更符合10kV母線的要求，最大程度保證性能和安全[2]。

（3）主變壓器加裝電抗器。安裝的電抗器，主要在變壓器的低壓側、斷路器出口側的位置。主變壓器低壓出線樁頭、斷路器之間裝設限流電抗器，有效降低短路電流效果，有效改變電網潮流分布。以電抗器、變壓器的參數和負荷特性進行潮流計算，可以得知變壓器的電壓水平是否處于合理范圍，這樣的方式運用在變電站檢修、維護環節提高工作效率。關于限流電抗器的參數選擇，需要考慮變壓器低壓繞組抗、限流電抗器之和相等原則，電抗器計算值以6.92%、10%帶入短路電流計算，可以知道主變壓器分列和并列運行的短路電流為12.6kA、18.3kA。加裝電抗器后，主變壓器的并列短路電流為18.3kA，在平常運行狀態下壓降為1.4%小于5%，符合變壓器運行要求。

4 結論

綜合上述，變電站增容后其短路電流隨之增大，為了保證配電設備運行正常，首先通過計算獲知短路電流是否在合理范圍內，如果為否則通過更換斷路器，改變主變壓器運行方式，加裝電抗器的措施，使短路電流降至合理范圍內，保障設備運行穩定、安全。

參考文獻：

[1]鮑海泉，黃仁智，陳麗林.變電站增容引起低壓短路電流過大問題的解決[J].農村電工，2018，26（11）：44.

[2]趙康偉，劉鐵成，程金梁等.昌平500kV變電站主變增容跨越220kV母線帶電更換導線[J].農村電氣化，2016（07）：21-23.