河北省南部电网短路电流分析及限制措施

李晓明，赵琛珑，段晓波，王 颖

(河北省电力研究院，石家庄 050021)

1 概述

随着电网规模的不断扩大，电源容量的快速增长，河北省南部电网(简称“河北南网”)短路电流水平增长迅速，部分变电站短路电流已接近现有设备的额定遮断容量。短路电流超标已成为网络规划、电源和变电站接入的一个制约因素，不利于电网规划和发展。根据河北南网2010年规划方案，对河北南网全网500 kV/220 kV母线三相、单相短路电流进行了计算。根据现有断路器最大遮断容量标准，可认为变电站500 kV侧母线短路限制水平为63 kA，220 kV侧母线短路限制水平为50 kA。当计算结果超过上述数值时，即认为该变电站短路电流水平超标。现阶段河北南网短路电流问题主要存在于500 kV枢纽变电站，因此表1只列出了500 kV变电站的短路电流计算结果。

表1 500 kV变电站短路电流计算结果 kA

由表1可知，2010年河北南网500 kV/220 kV母线短路电流水平将增长迅速，但均未超出断路器额定遮断电流。其中，500 kV侧短路电流最高的为石北变电站，三相短路电流为55.4 kA。220 kV侧短路电流，廉州三相/单相、清苑单相短路电流均已超过49 kA，存在超标的风险。另外，还有5座变电站三相或单相短路电流达45 kA以上，需要密切关注。

2 河北南网短路电流快速上升的原因

a. 电源大规模集中接入。河北南网内部及区外受电的大型电源落点集中在沿京广线的保定-石家庄-邢台-邯郸南北电力主干通道上，造成保北、清苑、石北、廉州、蔺河等变电站短路电流偏高[1]。电源大规模集中接入虽然缓解了河北南网长期缺电的局面、提高了电网的安全稳定水平，但也是造成河北南网短路电流水平快速上升的主要原因。

b. 500 kV/220 kV电磁环网运行。电磁环网在电网发展初期，对于提高电网运行可靠性、获取最大的输送能力有其积极意义。但当500 kV网架得到加强后，电磁环网运行又会造成500 kV、220 kV变电站短路电流过大的问题。目前河北南网邢石、邢衡电磁环网已解开；石保之间，邯邢之间，保定、衡水和沧州电网之间仍然维持电磁环网运行。

c. 地区内部电网结构不清晰。电网结构的合理配置不但是系统安全稳定运行的基础，也是限制短路电流水平的基础。目前，河北南网部分地区500 kV变电站供电范围不明确，使得220 kV电网结构不够清晰，单环网、双环网、环套环网、地区内部电磁环网也是短路电流上升的原因之一。

d. 变压器设计台数及设备选型不合理。河北南网各级变电站规划设计台数较多、布点较少，且主要为低阻抗主变压器，另外，由于500 kV变电站均为自耦变压器，高中阻抗较小，这些都造成了系统短路电流偏高。

e. 500 kV变电站的大容量主变压器与220 kV侧的大电源接入同时存在也是河北南网部分地区220 kV电网短路电流快速上升的重要因素。

3 河北南网限制短路电流的措施

3.1 合理规划大型电源的接入方式

河北南网大多数电厂通过高压母线并入电网，考虑到降低短路电流的需要，建议新建电厂适当提高升压变压器阻抗，增加单元制接线接入系统方式[2]，以降低系统短路电流水平；若新建机组容量稍大，近区负荷不能消纳，可接入500 kV电网，对控制近区220 kV短路电流大有益处；区外受电及大型电源落点应分散接入500 kV主干电网，可分散短路容量，避免某一点短路容量过大。

3.2 优化网络结构，分层分区运行

结构合理的网架是改善和解决短路电流问题的有利条件。500 kV网架结构应满足如下要求： 500 kV变电站接入电源不宜太多，一般不超过2 400 MW； 500 kV出线回路不宜太多，一般不超过6～8回，输入和输出容量应该平衡；主变压器台数不宜太多，一般不宜超过3台，总容量不宜太大； 220 kV侧接入的电源容量不宜太多；尽量避免电磁环网运行。

500 kV主干网加强后，逐步解开500 kV/220 kV电磁环网，形成以500 kV变电站为中心的供电区。供电区内220 kV电网宜形成花瓣型局部环网或呈双回放射状，各局部环网之间不要互联；供电区内220 kV发电容量并网点不宜过于集中，需经论证合理后再投入负荷；供电区内逐步形成以220 kV变电站为中心的供电小区。

3.3 增大零序阻抗，减小单相短路电流

增大零序阻抗，减小单相短路电流，需要采取以下措施：500 kV主变压器中性点装设小电抗；减少220 kV变压器中性点接地数量，如靠近500 kV变电站电气距离较近的220 kV变电站经计算论证可以不接地，放射式终端220 kV变电站可以不接地； 500 kV变电站主变压器采用全星形变压器，弊端是不利于保护整定和谐波处理。

针对清苑站220 kV母线单相短路电流偏高的问题，可采取在清苑主变压器中性点加装5 V小电抗措施。采取该措施后，清苑主变压器220 kV母线单相短路电流由49.6 kA降为42.3 kA，有效解决了单相短路电流偏高的问题。

电抗值过大有可能发生过电压和不满足绝缘要求的问题。变压器中性点加装的电抗要适宜，只要使单相短路电流降至三相短路电流之下便可。

3.4 采用高阻抗变压器

500 kV变电站采用普通三绕组变压器或采用高阻抗的自耦变压器。普通三绕组变压器高中阻抗较自耦变压器大，可以有效的限制220 kV侧的三相短路电流和单相短路电流，在这方面河北南网已有运行经验，但变压器的造价较高。河北南网早期的220 kV变电站由于均为自耦变压器，出现了110 kV侧短路电流过大问题，将自耦变压器改造为三绕组变压器后，有效遏止了110 kV侧短路电流的上升，后期及现有的220 kV变电站均采用了三绕组变压器，110 kV侧短路电流过大问题较少出现。采用高阻抗自耦变压器也可以减小220 kV侧短路电流。

高阻抗变压器对系统无功电压、损耗、电压稳定和暂态稳定有不利影响，因此在选择是否采用高阻抗变压器时，需要综合考虑系统的短路电流、无功电压和系统稳定问题[3-5]。

3.5 500 kV变电站220 kV侧分列运行

打开500 kV变电站220 kV侧母线分段断路器，使主变压器分列运行，可减少220 kV侧短路电流。同时，主变压器分列运行也降低了电网供电可靠性和稳定性，需经潮流稳定计算校核。

4 典型案例分析

石家庄地区电网联系紧密，电源接入容量大，造成了廉州及周边220 kV电网短路电流偏高。图1为廉州供电区示意图。

图1 廉州供电区示意

针对500 kV廉州变电站220 kV侧短路电流过高的问题，综合以上限制短路电流的措施，可对廉州变电站采取如下措施：断开上安-大河双回；断开廉州-里丰；断开系井-东寺，新建廉州-系井第二回；打开220 kV母线分段断路器。表2为采取限流措施前后廉州220 kV母线短路电流情况。

表2 采取限流措施前后廉州短路电流水平计算结果kA

由表2可知，采取4种控制短路电流措施后，均可使廉州220 kV母线短路电流有所降低。其中，廉州220 kV母线分段使短路电流下降最多，但2010年廉州站只有2台主变压器，如果分段运行后，2台主变压器负荷分配很不均匀，1台主变压器停运，部分联络线路重载；断开上安-大河双回可使廉州220 kV侧短路电流略有下降，但如果采取该措施后，因规划中的桥西站并未由上安直供，将造成上安-铜冶双回线路负载较重，不满足N-1热稳定校验；采取断开廉州-里丰和断开系井-东寺、新建廉州-系井第二回2种措施均可使廉州220 kV短路电流有较为显著的降低。针对以上4种限制廉州短路电流的措施，结合潮流计算结果，考虑工程量以及地区电网分区规划，建议2010年首先采取断开廉州-里丰措施，限制短路电流。

5 结束语

以上综合分析了河北南网短路电流快速上升的原因，并提出限制短路电流的措施。针对2010年廉州和清苑变电站220 kV母线短路电流偏高的问题，经过计算，建议分别采取断廉州-里丰220 kV线路、清苑主变中性点装设小电抗措施，以限制2座变电站的短路电流。 控制短路电流是一项系统工程，必须从规划阶段开始，将网架结构、电源建设、电器设备的选型和系统运行方式进行综合研究，才能制定合理控制措施，保证电网的安全稳定运行。

参考文献：

[1] 冯任卿，张智远，冯鸣娟．河北省南部电网短路电流控制措施分析[J]．河北电力技术，2008，27(5)：22-24．

[2] 靳 希，段开元，张文青．电网短路电流控制措施[J]．电力科学与技术学报，2008，23(4)：78-82．

[3] 潘思安，何善瑾．上海220 kV电网短路电流控制措施研究[J]．华东电力，2005，33(5)：30-33．

[4] 李 琥，黄 河，张 谦．江苏电网限制单相接地短路电流措施的研究[J]．江苏电机工程，2009，28(1)：19-21．

[5] 江 林，刘建坤，周 前．江苏220 kV电网短路电流的分析和对策[J]．华东电力，2008，36(8)：43-46．