智能電網(wǎng)基礎(chǔ)詳細(xì)教程：電網(wǎng)短路電流

所謂短路電流，是電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)里的一個(gè)重要參數(shù)值，指的是電力系統(tǒng)在規(guī)定的運(yùn)行方式下，關(guān)注點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)的電流。它其實(shí)是一個(gè)矛盾值，它既反映了電力系統(tǒng)互相聯(lián)系的緊密程度和穩(wěn)定性（短路時(shí)，與關(guān)注點(diǎn)任一聯(lián)絡(luò)線都會(huì)為這點(diǎn)貢獻(xiàn)短路電流），也反映了該點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，短路電流的大小。短路容量小，系統(tǒng)不穩(wěn)定，聯(lián)絡(luò)不強(qiáng)；短路容量大，短路電流超標(biāo)，設(shè)備代價(jià)昂貴，控制措施復(fù)雜。

目前在電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)越來越緊密的今天，短路電流超標(biāo)是一個(gè)非常大的問題，是電力系統(tǒng)分析計(jì)算，方案設(shè)計(jì)的重要約束條件。（短路電流是電網(wǎng)設(shè)備選型基本條件：主要是斷路器遮斷電流，220kV目前主流為50kA，500kV主流為63kA，短路電流超出遮斷容量意味著安全隱患，故電網(wǎng)短路電流數(shù)據(jù)的提高意味著不滿足要求的設(shè)備要予以更換，不僅造成電網(wǎng)投資的重大浪費(fèi)，而且危及電網(wǎng)的安全運(yùn)行）

發(fā)電機(jī)對短路電流的影響

根據(jù)相關(guān)計(jì)算和研究，300MW、600MW機(jī)組接入220kV系統(tǒng)，對附近母線提供的短路電流分別為2kA、4kA；600MW機(jī)組接入500kV系統(tǒng)對附近母線提供的短路電流為2kA。下圖為某1000MW機(jī)組接入某500kV系統(tǒng)后對短路電流的影響。

降壓變對短路電流的影響

1）不同短路阻抗的500kV降壓變對220kV側(cè)短路電流的影響

若將2臺(tái)短路阻抗均為12%的變壓器換成短路阻抗為15%的并列運(yùn)行，則其對220kV母線提供的短路電流將降低3~5kA；若換成短路阻抗為20%的并列運(yùn)行，則可降低7~11kA。新建或擴(kuò)建的500kV變電站選擇高阻抗變壓器可有效降低220kV短路電流。（高阻抗壞處在于網(wǎng)損大，運(yùn)行效率滴）

2）不同主變配置（短路阻抗為15%）對220kV側(cè)短路電流的影響

當(dāng)500kV側(cè)短路電流為60kA時(shí)，3臺(tái)750MVA、3臺(tái)1000MVA、3臺(tái)1200MVA主變并列運(yùn)行時(shí)向其220kV側(cè)提供的短路電流分別達(dá)到29kA、35.8kA、40.7KA；四臺(tái)可分別達(dá)到36.7kA、45kA、50.6kA。所以在一座500kV變電站有3~4臺(tái)主變后一般考慮分母降低其220kV側(cè)短路電流。（下表為實(shí)際工程中計(jì)算分析得出）

500kV層面短路電流解決措施

1）變電站母線分段運(yùn)行。不同變電站出線連接于不同母線上，減少線路之間的電氣聯(lián)絡(luò)，目前實(shí)際生產(chǎn)過程中經(jīng)常采用此種措施限制短路電流，效果較好，但分母運(yùn)行帶來的是供電可靠性的降低，需權(quán)衡考慮。以下即為荊門特高壓500kV側(cè)分母運(yùn)行方案，效果很好，但由于影響可靠性，且特高壓安全非常敏感，所以一直不能實(shí)施。

2）線路加裝串聯(lián)電抗器。舉例說明：8Ω的串聯(lián)電抗器阻抗標(biāo)幺值為0.0032，相當(dāng)于50km導(dǎo)線型號(hào)為4&TImes;LGJ-500的線路，拉長電氣聯(lián)絡(luò)，降低短路電流。這個(gè)措施目前在上海的500kV黃渡-泗涇線路已經(jīng)實(shí)施，三峽近區(qū)的一些重要線路也將實(shí)施此類工程，其中有項(xiàng)可研為本人負(fù)責(zé)，也去500kV泗涇變考察過，感覺這個(gè)措施屬于治根不治本，可以滿足階段性要求，但存在很多問題，比如會(huì)增加網(wǎng)損，還會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且無功的需求也會(huì)增加，特別是考慮N-1的時(shí)候。

3）500kV網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，這類措施不太好深入探討，依賴于實(shí)際情況和分析計(jì)算。

220kV層面短路電流解決措施

1）分區(qū)分片運(yùn)行。分片分區(qū)是降低短路電流最直接、最有效的措施。以北京電網(wǎng)為例：主要以2~3個(gè)500kV變電站的一段220kV母線為中心，將220kV電網(wǎng)劃分為幾個(gè)區(qū)，形成以相鄰的500kV變電站的220kV母線為供電中心的雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，各分區(qū)電網(wǎng)之間在正常方式下相對獨(dú)立，各分區(qū)220kV電力可互相支援，滿足500kV主變和220kV線路穩(wěn)態(tài)N-1、N-2的要求。上海電網(wǎng)思路與此不同。

2）其他措施。比如高阻抗設(shè)備，線路調(diào)整，220kV分母運(yùn)行等，也是有效手段，但是不如分區(qū)分片運(yùn)行，來的根本，所以電網(wǎng)220kV層面分區(qū)分片運(yùn)行及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)分析優(yōu)化，是限制短路電流的根本措施，也是目前各個(gè)省公司重點(diǎn)開展的工程依據(jù)。

三相短路電流：短路電流水平較高的國家如德國、法國等都采取了在發(fā)生故障時(shí)快速解列，將母線分段來限制短路電流值。母線解列措施雖然簡單易行而且效果顯著，但一般只在必要時(shí)才采用，因?yàn)樗赡芙档拖到y(tǒng)的安全裕度，限制運(yùn)行操作和事故處理的靈活性。國內(nèi)比較注重安全，所以用的不多，其實(shí)也就是一個(gè)思路的問題，個(gè)人覺得是比較不錯(cuò)的措施。

單相短路電流：單相接地短路電流的大小，主要和系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式及回路的零序阻抗有關(guān)。法國采用變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地的方式，德國不采用自耦變壓器作為系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)用來限制單相短路。有些國家110kV及以上電壓電網(wǎng)中的變壓器中性點(diǎn)全部直接接地，造成系統(tǒng)的單相接地短路電流大于其三相短路電流，如英國、俄羅斯都是。還有一些國家如美國在有些電力系統(tǒng)中將系統(tǒng)內(nèi)一部分大容量的Y/Y/△（500/230/35kV）自耦變壓器的△側(cè)開口運(yùn)行以增加變壓器的零序阻抗。但不少國家則認(rèn)為這樣作對運(yùn)行不利。葛洲壩大江電站的發(fā)電機(jī)變壓器組主變壓器500kV側(cè)中性點(diǎn)設(shè)計(jì)安裝了經(jīng)小電抗接地，既解決了單相接地短路電流過大的問題也解決了水電廠機(jī)組多，運(yùn)行方式變化大，系統(tǒng)接地短路電流變化過大，使接地保護(hù)整定困難的問題。

比較詳細(xì)的計(jì)算分析過程總結(jié)。

模型和假定

對于“獨(dú)立分區(qū)”電網(wǎng)，可以簡單的以下圖來模擬。線路XL代表地方電廠至分區(qū)500kV變電站的等值線路；S1..S4代表500kV變電站中配置同類型或者不同類型的變壓器。

對于“互聯(lián)分區(qū)”電網(wǎng)，可以用下圖的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)來模擬。圖中元件的意義與上圖相同。

假定條件：

1）主變變比525kV/242kV/35kV；

2）根據(jù)目前設(shè)備的制造能力，新建變電站遠(yuǎn)景短路電流水平，500kV母線按照63kA控制，220kV母線按照50kA控制；

3）變電站單臺(tái)變壓器的最大容量，并列運(yùn)行的變壓器臺(tái)數(shù)，應(yīng)使220kV母線短路容量不超過允許值；

4）由于主變并列運(yùn)行時(shí)500kV母線和220kV母線的短路電流只受主變高中壓短路電壓百分比的影響，僅就主變高中壓側(cè)短路電壓百分比進(jìn)行分析。

5）由于電網(wǎng)中電阻遠(yuǎn)小于電抗，忽略電網(wǎng)和主變中電阻的影響。

6）由于220kV母線兩相接地短路電流水平一般相對較低，而單相接地短路電流水平可以通過在主變中性點(diǎn)加裝小電抗使其降低到與三相短路電流相近，因此下面僅對變電站母線三相短路進(jìn)行分析。

7）所取500kV主變高中側(cè)短路電壓百分比均在國內(nèi)目前適用的范圍內(nèi)，均不超過20%。變壓器的短路電壓百分比超過20%會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)弊端，首先是無功電壓平衡和電壓穩(wěn)定問題，其次是暫態(tài)穩(wěn)定問題。

220kV母線短路電流計(jì)算模型

500kV變電站的220kV母線短路電流主要由兩部分組成：500kV系統(tǒng)通過變壓器向220kV母線注入的短路電流（簡稱500kV短路電流分量）和220kV電網(wǎng)注入變電站220kV母線的最大短路電流分量（簡稱“220kV短路電流分量”）。

在分區(qū)電網(wǎng)中，在圖61所示的元件參數(shù)下，500kV系統(tǒng)通過變壓器向220kV母線B242注入的短路電流為：

由上式可見，500kV系統(tǒng)通過變壓器注入220kV系統(tǒng)的短路電流和500kV系統(tǒng)的短路容量、變壓器的容量和短路電壓百分比有關(guān)。

220kV短路電流分量主要與220kV地方電廠的容量、接入方式、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等有關(guān)。

500kV系統(tǒng)提供的短路電流分析

假設(shè)變電站中的變壓器均為同類型，下表給出了不同容量配置的變壓器在500kV系統(tǒng)注入短路電流不同時(shí)，注入220kV母線的短路電流值（其中容量為750MVA、1000MVA、1500MVA的變壓器短路電壓百分比分別取為12％、16％、19％）

由此可見，變壓器容量越大，每100MVA變電容量向220kV母線提供短路電流越小。

220kV獨(dú)立分區(qū)電源配置及供電能力

以500kV短路電流分量為限制，計(jì)算220kV短路電流分量的最大值，從而推導(dǎo)220kV獨(dú)立分區(qū)的電源配置。220kV獨(dú)立分區(qū)的供電能力等于500kV變電站的供電能力與220kV地方電廠供電能力之和。

1）地方電廠提供給220kV母線的短路電流

在220kV獨(dú)立分區(qū)中，根據(jù)圖1所示的電廠和升壓變參數(shù)下，地方電廠提供給分區(qū)母線B242的短路電流如下式：

不同容量機(jī)組接入500kV變電站對其220kV母線的短路電流貢獻(xiàn)。（當(dāng)機(jī)組容量為600MW時(shí)，Xd”取0.2，其他容量的機(jī)組Xd”取0.16，升壓變短路電壓百分比全部選擇為17％，即Xd”+Uk=0.33~0.37，取0.8~0.85，電廠連接500kV變電站220kV母線的等值220kV線路長為50km，導(dǎo)線型號(hào)為LGJ-2*630。）

（1）電廠對500kV變220kV母線的短路電流貢獻(xiàn)約為（0.6~0.7）kA/100MW左右。

（2）一臺(tái)300MVA機(jī)組接入系統(tǒng)，可提供2.1kA左右的短路電流分量；一臺(tái)400MVA機(jī)組接入系統(tǒng)，可提供2.5kA左右的短路電流分量；一臺(tái)600MW機(jī)組接入220kV系統(tǒng)，可提供3.8kA左右的短路電流分量。

（3）機(jī)組容量在300MW及以上，總量為1200MW規(guī)模的電廠接入220kV電網(wǎng)，可能給220kV系統(tǒng)提供的短路電流水平為6.9~7.4kA左右，總量為1800MW規(guī)模的電廠接入220kV電網(wǎng)，可能提供的短路電流水平約為12.4kA。

（4）地方電廠接入500kV變電站的等值距離越遠(yuǎn)，提供短路電流越小，反之越大。

2）地方電廠提供給500kV母線的短路電流

在220kV完全分區(qū)中，地方電廠提供給500kV母線的短路電流如下：

不同容量機(jī)組按50km線路接入500kV變電站時(shí)對其500kV母線短路電流貢獻(xiàn)估算。

1）經(jīng)過計(jì)算，220kV電廠接入系統(tǒng)后注入500kV側(cè)的短路電流遠(yuǎn)小于其注入220kV母線的短路電流，約為（0.18~0.27）kA/100MW左右；

2）機(jī)組容量總量為1200MW及以上規(guī)模的電廠接入220kV系統(tǒng)，提供給500kV母線的短路電流水平為2～3kA之間。相對于500kV電網(wǎng)注入500kV側(cè)的短路電流而言，接入220kV的電廠機(jī)組對500kV側(cè)的短路容量影響甚微。

3）同樣，地方電廠接入500kV變電站的等值距離越遠(yuǎn)，其提供的短路電流越小，反之越大；而若電廠的規(guī)模越大，其提供的短路電流越大，反之越小。

2）供電能力分析

220kV獨(dú)立分區(qū)供電能力的大小取決于分區(qū)內(nèi)500kV變電站主變的運(yùn)行情況（并列運(yùn)行或分列運(yùn)行）、500kV變電站500kV母線的短路電流水平、分區(qū)內(nèi)的電廠容量和分區(qū)電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接線。

采用750MVA主變時(shí)：

一般來說，變電站的變壓器考慮1.3倍的過載能力，變電站只考慮配置同類型的變壓器，且系統(tǒng)具備在變壓器允許過載時(shí)間內(nèi)使方式調(diào)整至變壓器不過載。

當(dāng)分區(qū)電網(wǎng)的500kV變壓器選擇單臺(tái)容量為750MVA，短路電壓百分比為12％，主變臺(tái)數(shù)為2~4臺(tái)時(shí)，此分區(qū)供電能力約為4400～4700MW左右，且分區(qū)負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力隨著變壓器臺(tái)數(shù)的增加呈正比增加。

采用1000MVA主變時(shí)：

因此，當(dāng)分區(qū)500kV變選擇短路電壓百分比為16％，單臺(tái)容量1000MVA的主變時(shí)：

（1）當(dāng)變電站主變臺(tái)數(shù)為2~4臺(tái)時(shí)，分區(qū)供電能力約為5000～5400MW左右，且分區(qū)負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力隨著變壓器臺(tái)數(shù)的增加呈正比增加。

（2）從運(yùn)行角度出發(fā)，分區(qū)電源容量不宜超過4000MW，否則會(huì)因機(jī)組提供的短路電流過大，導(dǎo)致分區(qū)在只有兩臺(tái)500kV主變的情況下，500kV變電站220kV被迫分母運(yùn)行，降低了供電可靠性和運(yùn)行靈活性。

采用1500MVA主變時(shí)：

變壓器容量為1500MVA，短路電壓百分比取19％，主變配置臺(tái)數(shù)不同時(shí)分區(qū)內(nèi)供電能力變化較大，在5000～6400MW之間，分區(qū)內(nèi)每增加一臺(tái)主變將增加500～800MW的供電能力；分區(qū)負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力隨著變壓器臺(tái)數(shù)的增加呈正比增加?？梢?500MVA的主變適用于分區(qū)負(fù)荷較大，地方電廠較小的分區(qū)。

結(jié)論：

（1）對于無源分區(qū)：

對負(fù)荷預(yù)測值為4000MW以下的分區(qū)，可優(yōu)先考慮用750MVA的變壓器，短路電壓百分比為12％及以上；

對負(fù)荷預(yù)測值為4000～5000MW的分區(qū)，可優(yōu)先考慮用1000MVA的變壓器，短路電壓百分比取16％及以上；

（2）對于有源分區(qū)：

變壓器的容量不宜選得很大，否則，分區(qū)的供電能力將不升反降；

對負(fù)荷預(yù)測值為4000MW以下的分區(qū)，可優(yōu)先考慮用750MVA的變壓器，短路電壓百分比為12％及以上；

對負(fù)荷預(yù)測值為4000MW以上的分區(qū)，可優(yōu)先考慮用1000MVA的變壓器，短路電壓百分比取16％及以上，盡量控制分區(qū)內(nèi)的電源規(guī)模。

220kV互聯(lián)分區(qū)電源配置及供電能力

為便分析，設(shè)分區(qū)內(nèi)500kV變電站配置完全相同，站間距離為100km；750MVA變壓器短路電壓百分比取12％，1000MVA變壓器短路電壓百分比取16％，1500MVA變壓器短路電壓百分比取19％；地方電廠均以50km距離接入互聯(lián)系統(tǒng)。

1）短路電流分析

互聯(lián)距離為100km時(shí)，500kV變電站主變不同配置下，分區(qū)間相互提供給220kV母線的短路電流值大都在7kA左右，而短路電流值將隨著互聯(lián)分區(qū)間的距離的減少而增加。分區(qū)間相互提供給變電站500kV側(cè)母線的短路電流還與主變的短路電壓百分比相關(guān)，短路電流值相對較小，電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行對500kV側(cè)的短路容量影響甚微。

打開分區(qū)間的聯(lián)絡(luò)線，可以降低互聯(lián)系統(tǒng)變電站220kV母線的短路電流，而變壓器運(yùn)行方式由并列運(yùn)行調(diào)整為分列運(yùn)行時(shí)也可以降低短路電流?；ヂ?lián)分區(qū)間的聯(lián)絡(luò)線路解環(huán)運(yùn)行亦或主變分列運(yùn)行對降低220kV母線短路電流與互聯(lián)分區(qū)間的電氣距離有關(guān)。

經(jīng)過計(jì)算得出，4臺(tái)變壓器并列運(yùn)行（容量為750~1500MVA），當(dāng)互聯(lián)距離為31~38km時(shí)，提供的短路電流值與500kV變電站并列運(yùn)行調(diào)整為分列運(yùn)行減少的短路電流值相等。

2）地方電廠接入能力分析

隨著500kV系統(tǒng)注入短路電流的增加，可接入電廠的機(jī)組容量逐漸減少；隨著互聯(lián)系統(tǒng)主變?nèi)萘康脑黾?，可接入電廠的機(jī)組容量逐漸減少。

由前面的理論知識(shí)可知，允許接入電網(wǎng)的最大機(jī)組還與變壓器短路電壓百分比以及互聯(lián)分區(qū)間距離等因素有關(guān)，可以得出以下結(jié)論：在500kV系統(tǒng)注入電流恒定時(shí)，隨著變壓器短路電壓百分比的增加，可接入的地方電廠容量逐漸增加；變壓器短路電壓百分比保持不變時(shí)，可接入電廠的機(jī)組容量隨著互聯(lián)分區(qū)間距離的增大而增加。

可見：500kV系統(tǒng)注入短路電流為55kA時(shí)，分區(qū)互聯(lián)后，可接入地方電廠機(jī)組容量減少約1000MW左右。

3）供電能力分析

主要考慮形式為“2臺(tái)-2臺(tái)”方式運(yùn)行時(shí)的供電能力研究。

互聯(lián)分區(qū)適用于無源區(qū)域或者地方電廠容量較小的區(qū)域，將兩個(gè)500kＶ供區(qū)互聯(lián)運(yùn)行可以提高各自的供電可靠性，同時(shí)限制了接入地方電廠的能力，但是由于互聯(lián)運(yùn)行后500kV主變負(fù)載率的提高，綜合來看，由表614可知，當(dāng)500kV系統(tǒng)注入短路電流小于55kA時(shí)，互聯(lián)分區(qū)電網(wǎng)的供電能力將大于相應(yīng)兩個(gè)獨(dú)立分區(qū)電網(wǎng)的供電能力之和，而大于55kA時(shí)則比其小。

電網(wǎng)分區(qū)規(guī)模和分區(qū)數(shù)量的估算

負(fù)荷值和500kV變電站個(gè)數(shù)對220kV分區(qū)劃分的影響是存在聯(lián)系并共同起作用的。

（完）