电力系统中短路电流的危害问题与对策

孙哲 王广举

国网河南禹州市供电公司 461670

摘要：在电力系统的设计和运行中，不仅要考虑正常工作状态，而且还必须考虑到发生故障时所造成的不正常工作状态。本文分析了电力系统短路电流的危害，介绍了目前我国常用的一些限制短路电流的方法，并探讨了进一步提高限制短路电流水平的措施。

关键词：电力系统；短路电流

1 引言

电力系统短路是指供电系统中不等电位的导体在电气上被短接，如相与相之间的短接，或在中性点接地系统中一相或几相与大地相接以及三相四线制系统中相与零线的短接等。当发生短路时，电源电压被短接，短路回路阻抗很小，于是在回路中流通很大的短路电流。三相短路电流计算是电力系统规划、设计、运行中必须进行的计算分析工作。如果短路电流计算结果偏于保守，有可能造成不必要的投资浪费，若偏于乐观则将给系统的安全稳定运行埋下灾难性的隐患。随着我国电网规模的快速增加，使短路电流不断升高，已严重影响到电网的安全运行，这也成为制约电网发展的重要因素。有预计指出，三峡电站可能的最大短路电流周期分量将达300kA，而目前国际上生产的100kA的GIS已是属最大容量，国内尚无此生产能力。因此，限制短路电流是电气工程设计者在发电厂和变电站设计中经常遇到和需要解决的技术问题。

2 短路电流及其危害

2.1 短路电流

短路电流是电力系统在运行中，相与相之间或相与地（或中性线）之间发生非正常连接（即短路）时流过的电流。其值可远远大于额定电流，并取决于短路点距电源的电气距离。例如，在发电机端发生短路时，流过发电机的短路电流最大瞬时值可达额定电流的10～15倍。大容量电力系统中，短路电流可达数万安。这会对电力系统的正常运行造成严重影响和后果。

2.2 短路电流的危害

① 短路电流增大，断路器、隔离开关、电流互感器等串接设备以及母线等设备需要承担大电流冲击，故必须选择大容量设备，且输电线路也必须要大容量，这就造成设备投资大大增加。

② 由于短路电流增大，系统单相接地短路电流也随之增大，这也造成了对通信线路电磁感应危害的增加。同时也造成铁塔附近接触电压和跨步电压的增加，危害人畜生命安全。

③ 短路电流增加，架空导线的温度也会上升，造成线夹部分过热，同时也使架空线路故障点损伤加剧，如绝缘子破损、导线熔断等问题。

因此，在电气工程设计中，限制短路电流的目的主要是：① 保证导体和电气设备的安全运行，从而保证电网安全、可靠地抢送电能；② 使用轻型廉价电器，降低工程投资。

3我国限制电网短路电流的主要方法

目前在电力系统中，用得较多的限制短路电流的方法有以下几种：

3.1选择发电厂和电网的接线方式

通过选择发电厂和电网的电气主接线，可以达到限制短路电流的目的。

为了限制大电流接地系统的单相接地短路电流，可采用部分变压器中性点不接地的运行 方式，还可采用星形-星形接线的同容量普通变压器来代替系统枢纽点的联络自耦变压器。

在降压变电所内，为了限制中压和低压配电装置中的短路电流，可采用变压器低压侧分列运行方式；在输电线路中，也可采用分列运行的方式。

对环形供电网，可将电网解列运行。

3.2 采用分裂绕组变压器和分段电抗器

在大容量发电厂中为限制短路电流可采用低压侧带分裂绕组的变压器，在水电厂扩大单 元机组上也可采用分裂绕组变压器。

3.3 采用线路电抗器

线路电抗器主要用于发电厂向电缆电网供电的6～10kV配电装置中，其作用是限制短路 电流，使电缆网络在短路情况下免于过热，减少所需要的开断容量。

3.4 采用微机保护及综合自动化装置

从短路电流分析可知，发生短路故障后约0.01s时间出现最大短路冲击电流，采用微机保护仅需0.005s就能断开故障回路，使导体和设备避免承受最大短路电流的冲击，从而达到限制短路电流的目的。

4限制短路电流的多种措施

4.1 运用FCL限制短路电流

故障电流限制器（FCL，faultcurrentlimiter）是现代电力系统中的重要元件。使用FCL的优越性有：

（1）一般来说，电压等级越高，故障电流越大，越难以开断，而FCL的使用可直接减轻断路器的开断负担。

（2）快速限制短路电流可减少线路的电压损耗和发电机的失步概率，如果能配置恰当的限流器，则系统的功角稳定、电压稳定和频率稳定都能得到有效的改善，电网和设备事故也就可得到有效的控制。

（3）目前输电线路的实际输送能力均在稳定极限以下，如果限流器能在短路电流达到峰值之前就发挥作用，大多数设备设计和选用时所要求的热稳定极限及动稳定极限就可降低，电网的热极限及稳定极限比也可相应减小，从而大大提高了输电线路的利用率，降低整个电网的投资。

限流熔断器实现的FCL，要适应自动重合闸还有待于自恢复限流熔断器的发展，并且这种方法要求有能承受正常状态下CT接线方式而故障状态下PT接线方式的变压器，因此对变压器的性能要求较高，但此方法最为简单，开发周期最短，不失为一种可供参考的方法。若选择间隙放电式FCL作为原始研究，它的技术难点在于放电间隙的选择及如何提高其工作稳定性，这种方式的FCL在目前经济技术的基础上是最可取的。

4.2 从系统结构上采取措施

结合系统规划，从系统结构上采取措施可考虑：发展更高一级电压电网；采用直流联网；新的大容量电厂要尽量接入最高一级电压网络；建设新的输电线路时，注意降低网络的紧密程度；分区供电，低压电网分片运行，多母线分列运行或母线分段运行等。上述各种思路及方法应根据具体网络实际情况和技术经济角度出发研究制定，并最大限度地保证供电可靠性。

4.3 变压器中性点加装小电抗接地

随着500kV变电站逐渐增多以及500kV自耦变的大量使用，部分500kV厂站220kV侧母线单相短路电流大于三相短路电流，这时可以采取在500kV主变的中性点处加装小电抗接地，来解决单相短路电流超标的问题，但需加装多大电抗值的小电抗需要从所需限制的短路电流水平、设备绝缘水平，系统稳定性和经济性等多方面因素来综合考虑。

4.4 采用限流电抗器

采用串联电抗器以增加系统等值阻抗从而限制短路电流在理论上是很有效的，但在实际中，串联电抗器大多用于10～35kV电压电网，如发电厂的厂用电系统，或装在母线上，或装在电缆出线上，在220kV及以上电压等级系统中应用得比较少，在这方面还要进一步加大研究力度。

4.5 各大电网限制短路电流的经验

对于单相短路电流较大的网络，可以考虑采用变压器中性点加装小电抗接地的措施限制短路电流；对于三相短路电流较大的网络，可以考虑采用高阻抗变压器的措施限制短路电流。

当750kV网架结构比较坚强后，应逐步实现分层分區的运行方式来限制短路电流。

实现变电所母线分列运行是限制短路电流最直接、最有效的方法。

在经济合理与建设条件可行的前提下，应采取将主力电厂直接接入最高一级电压电网的措施限制短路电流。

5 结语

总体上看，提高电网的短路电流水平是一个长期而且复杂的过程，要把短路电流的控制问题落实到规划阶段，在规划中综合考虑电网和电源的建设和发展；同时结合目前的电力市场改革，研究实施短路电流市场化的方案，并积极推进与有关高校、科研院所合作共同研制新的限制短路电流的设备。

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