电网短路电流限制措施优劣对比

李 华，商文颖，南 哲，张晓天，朱赫炎

(国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院，辽宁 沈阳 110015)



输变电技术

电网短路电流限制措施优劣对比

李 华，商文颖，南 哲，张晓天，朱赫炎

(国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院，辽宁 沈阳 110015)

近年来，随着电力系统规模的不断扩大，区域短路电流问题变得越来越突出。短路电流问题的频繁出现将会给电网带来一系列危害。从电网设备、变电站结构、电网结构等多方面分析了限制短路电流的措施，并深入分析其优缺点，研究其在实际应用中的适应性和未来发展方向。 最后，通过沈阳地区“十三五”期间限流方案有关计算结果论证研究的有效性及合理性。

短路；措施；电网结构；遮断容量

近年来随着电力系统规模不断扩大，短路电流问题也越来越突出，已经成为电力系统规划、设计、运行工作面临的重要问题。 在没有限制的情况下，辽宁电网存在短路电流超标问题，某些地区已经分区运行。

随着辽宁电网规模的不断扩大，辽宁地区短路电流超标问题将越来越严重，必须消除短路电流快速增长对系统运行安全的不利影响。可从电网结构、变电站结构、电网设备等方面采取各种措施来限制短路电流。

本文介绍了目前主要的短路电流限制措施,分析了各类限流措施对220 kV分区电网短路电流限制的效果及优劣, 最后以沈阳电网为例, 对其短路电流限制措施进行了研究。

1 短路电流的危害

根据短路的类型、位置和持续时间不同，短路的后果可能仅损害局部区域正常供电，也可能威胁到整个系统的安全[1]，短路危害主要体现在以下几个方面。

a. 在短路点附近的支路中会出现超出正常值许多倍的电流。由于短路电流的电动力效应，在导体之间将产生大的机械应力，这将损坏导体及其支架。

b. 当短路持续时间较长时，短路电流会导致设备升温，设备可能会过热损坏。

c. 短路时系统电压明显下降，电机的电磁转矩明显降低，转速下降。 当电压明显下降时，

电机

[10] 蒋佳良,晁 勤,陈建伟，等.不同分电机组的频率响应特性仿真分析[J].可再生能源，2010,28(3):24-28.

甚至可能停机，导致产品损坏、设备损坏等严重后果。

d. 当短路点距离电源较近且持续时间较长时，并联运行的发电厂可能失去同步，影响系统稳定性，导致大面积的电力中断。 这是短路故障最严重的后果。

e. 在不对称短路故障的情况下，不平衡电流可以产生足够的磁通量以在相邻电路中感应出较大的电动势，这可能严重影响在高压电力线附近的通信线路或铁路信号系统。

2 短路电流限制措施及优劣分析

2.1 合理规划电网结构

从某个角度来看，电网的持续发展历程也是高电压等级不断提高，不断对低电压等级进行合理分区的过程。根据电压等级将电力系统分为若干结构层次，在不同层次根据供电能力分为多个区域，为每个区域电力负荷安排适当的供电，形成一个基本平衡的供需关系，电网结构合理是电力系统安全、稳定、经济运行的基础[2]，分区电网结构模式如图1所示。

(a)电磁环网解环前

(b)电磁环网解环后图1 分区电网结构模式

2.1.1 分层分区的优点

a. 易于稳定控制。在分区网络中发生故障，往往切除故障元件，再辅以有效的事故处理手段，即可平息事态发展。

b. 控制潮流方便。分区运行时，可以通过调整电源有功功率或功率角和电源的无功功率或电压，以达到潮流调整的目的， 不太可能出现部分元件的功率过载或部分元件空置的情况。

c. 空置短路容量。合环运行，综合阻抗往往较小，短路容量较大。环网开环运行是限制短路容量的重要手段。

d. 简化安全自动及继电保护装置。环网中的稳定措施和继电保护配置比非环网中的配置要复杂很多。安全和保护自动装置的复杂性和不一致性通常是事故产生的直接原因。

2.1.2 分层分区的缺点

a.电力系统发展过程中电网逐渐分层分区，只有当高一级电压电网发展到一定程度时，才能将低一级电压电网按供电区解列分片运行。很多地区分层分区运行的条件并不完全成熟。

b.电网实现分区运行以后，分期电网之间的连接断开，削减了电网结构，明显降低了供电可靠性。局部区域联络线变成供电瓶颈，使得在正常运行期间功率输出和受入均存在限制。而断线也可能导致一些变电站运行电压低[3]。

2.2 变电站母线分列运行

通过将220 kV低压母线分为2段后，系统阻抗增大，从而有效地限制220 kV低压侧的短路电流，500 kV变电站220 kV母线分列运行模式如图2所示。这是最经济、最简单、最有效的一种限制短路电流的手段。由于母线分段运行是采用改变系统联系和结构的办法，将降低电网安全裕度和运行灵活性。

图2 500 kV变电站220 kV母线分列运行模式

2.3 采用高阻抗设备

对暂态稳定不是主要矛盾的电网采用高阻抗设备可以增大系统阻抗，达到限制短路电流的目的，需要从发、变电各环节同时采取措施才能取得较好效果，设备分为高阻抗变压器和发电机[4]。

采用高阻抗设备的优点：发电设备通过采用高阻抗发电机、升压变以及采用单元制接线接入电网，可以有效控制地区的短路电流；采用高阻抗变压器可以有效控制下一级电网短路电流，并且由于机器小型化，励磁损耗、铁损、风损等空载损耗变小，励磁机容量减小。

采用高阻抗设备的缺点: 电厂无功是系统重要的动态无功电源，提高电厂接入系统的阻抗值，将削弱电厂在电压稳定事故中电压支撑的重要作用，同时也不利于电厂调压和保证送电的可靠性；采用高阻抗变压器，应配置足够的电容器容量，以补偿高阻抗带来的电压损耗与无功损耗，这将增加变电站的投资。

2.4 采用高遮断容量断路器设备

对于地区短路电流水平在合理范围，单个设备短路电流水平过高的情况，将现有断路器及配套的电气设备更换为遮断容量更大的设备是应对短路电流过大比较直接的方法。目前，我国已经在220 kV以及550 kV电网中大量推行该方式，并获得了较好的应用效果。在我国500 kV或220 kV电网采用50 kA的设备已经相当普遍，63 kA的设备也不少见[5]。

采用高遮断容量断路器设备的优点：利用设备所具有的电流限制功能对短路电流的产生进行限制，避免了降低电网可靠性灵活性的缺点。

采用高遮断容量断路器设备的缺点：设备造价相对较高，以220 kV断路器为例，63 kA 的断路器比50 kA断路器价格约贵6万元，且对于现有变电站的改造有一定难度。

2.5 采用直流输电系统

直流输电系统主要由换流变压器、整流器、逆变器和直流线路等直流设备组成。采用直流联网或直流输电对交流系统进行分区，将电网分成相对独立的几个交流系统，避免系统间相互注入短路电流，可起到控制交流电网短路电流的作用[6]，直流输电系统原理图如图3所示。

图3 直流输电系统原理图

采用直流输电系统的优点：定电流调节是直流输电系统的基本调节方式，通过换流器触发相位的控制，直流输电系统可以实现快速调节，自动保持电流为定值，避免因直流电流剧烈变化对交直流电网安全运行的影响。

采用直流输电系统的缺点：这种方法需要直流背靠背换流站具有较大的换流容量，直流背靠背大容量设备需要较大的投资，并且直流系统之间存在交互问题。需要进一步研究许多直流背靠背与交流电网协调运行技术特点及投资优化情况，直流背靠背现在还不能完全发挥短路电流的限制作用。

3 实例分析

以沈阳电网为例，分析电网建设对地区电网带来的新的短路问题，结合地区网架情况、地区负荷水平、运行情况等多个因素，选取适当的限制短路电流措施，在不影响安全可靠供电的前提下，解决地区短路电流超标问题。

沈阳地区电网位于辽宁中部，是一个受端网络，是辽宁中部电网的重要组成部分。沈阳电网西部与锦州、阜新、通辽电网相连，北部与吉林和铁岭电网相连；南部与辽阳、鞍山、营口电网相连；东部与本溪、抚顺电网相连。

“十二五”期间沈阳电网发展较快，有多座500 kV和220 kV变电站投运，地区短路电流水平受到较大影响，主要情况见表1。

表1 沈阳地区负荷预测

通过这些措施，将沈阳电网短路电流水平控制在合理范围内，并且各分区保证可靠供电。

4 结论

短路电流对电网的规划和设计有重大影响，结合电网规划建设，应合理采用各种限制电网短路电流措施抑制短路电流水平增长过快的势头。本文对限制220 kV 电网短路电流水平的各类措施进行详细研究，分析其优缺点及适用情况，并将其应用到沈阳电网的短路电流分析中，得到如下结论。

a. 调整电网运行方式是抑制电网短路电流最为便捷的手段, 但会以降低电网的供电能力为代价，需要结合地区供电能力合理使用。

b. 电网分层分区可以有效控制短路电流水平，应结合地区电网发展水平，逐渐形成电磁环网解环运行。

c. 直流输电由于自身的运行特点，对限制短路电流有显著的优势，可以根据地区电网情况，发展系统间直流互联。

d. 选择高阻抗设备可以降低短路电流，但会增加电网的无功损耗,降低电网的动态无功备用容量, 影响电网的安全稳定运行。

e. 对于单个设备短路电流水平过高的情况，将现有断路器及配套的电气设备更换为遮断容量更大的设备是应对短路电流过大比较直接的方法。

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

[2] 李春叶，李 胜，尚敬福，等.电磁环网方式与分层分区运行方式之决策[J].电力学报，2006，21(2):160-163.

[3] 张明理，孙晓非，王 天.提高电网输送能力的技术研究[J] .东北电力技术, 2006 , 27(10):4-6, 17.

[4] 刘思革, 崔文佳, 范明天, 等.城市电网短路电流水平控制对策[J].华东电力, 2007, 35(3):235-238.

[5] 韩 戈，韩 柳，吴 琳.各种限制电网短路电流措施的应用与发展[J].电力系统保护与控制，2010, 38(1)：141-144, 151.

[6] 李 华.柔性直流输电在城市电网中的应用探讨[J].东北电力技术, 2012, 33(2):11-14, 20.

作者简介：

李 华(1986)，女，硕士，工程师，主要研究方向为输电网规划。

(收稿日期 2017-03-01)

Comparison of Short-Circuit Current Limitation Measures in Power Network

LI Hua, SHANG Wenying, NAN Zhe, ZHANG Xiaotian, ZHU Heyan

(State Grid Liaoning Electric Power Company Limited Economic Research Institute, Shenyang，Liaoning 110015, China)

The scale of the power system continues to expand at the same time, the regional power network short-circuit current problem is more and more prominent.Short circuit current will increase too fast to bring a series of hazards to the grid. In this paper, various measures to limit the short-circuit current are analyzed from the aspects of grid structure, substation structure and power grid equipment. The advantages and disadvantages of each method are analyzed, and their application in time and future development direction are studied. Finally, the validity and rationality of the calculation results of the current limiting scheme during the 13th five-years plan period in Shenyang area of Liaoning province are discussed.

short-circuit; current ;limiting measures ;power grid mechanism

TM713

A

1004-7913(2017)05-0048-03

李冬雪(1980)，女，博士，工程师，主要从事电力系统规划设计研究。

2017-03-01)