电网短路电流限制措施分析

[摘 要]随着电力系统规模的扩大和电网的不断加强，电力系统中短路电流水平逐年增大，目前已成为电力系统规划、运行方面面临的重要问题。因此有效控制短路电流水平，寻找限制短路电流的合理而经济的方法是电网发展面临的重大挑战之一。本文首先介绍了短路电流定义、产生原因及危害；然后从改变电网结构方面入手，寻求限制短路电流的措施。

[关键词]短路电流；限制措施

中图分类号：TM713 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0307-01

1 短路电流原因及危害

1.1 短路电流产生原因

产生短路的主要原因，是供电系统中的绝缘被破坏。在绝大多数情况下，绝缘的破坏是由于未及时发现和消除设备中的缺陷，以及设计、安装和维护不当所造成的。此外，由于电力需求的高速增长，电源建设向着电厂布局集中化、单机大容量化的方向发展，使得短路电流水平不断的增长。而用电需求的快速增长，能源分布不均衡，电源大规模集中建设开发，带来变电所及输电线路数量急剧膨胀，电网联系紧密，环网增多，系统阻抗逐年减小，也使系统短路电流逐年增加。

1.2 短路电流的危害

发生短路时，电力系统从正常的稳定状态过渡到短路后的稳定状态，一般需3～5秒。在短路后约半个周波（0.01秒）时将出现短路电流的最大瞬时值，称为冲击电流。它会产生很大的电动力，致使导体变形，甚至损坏。

短路电流将引起下列严重后果：短路电流往往会有电弧产生，它不仅能烧坏故障元件本身，也可能烧坏四周设备和伤害四周人员。巨大的短路电流通过导体时，一方面会使导体大量发热，造成导体过热甚至熔化，以及绝缘损坏；另一方面巨大的短路电流还将产生很大的电动力作用于导体，使导体变形或损坏。由于短路电流增大，发生不对称故障时，不对称电流产生足够大的磁通，在邻近的线路内感应出很大的电动势，严重干扰了通信线路的正常运行（特别是平行于电力线路的通信线路。短路也同时引起系统电压大幅度降低，非凡是靠近短路点处的电压降低得更多，从而可能导致部分用户或全部用户的供电遭到破坏。电力系统中出现短路故障时，系统功率分布的忽然变化和电压的严重下降，可能破坏各发电厂并联运行的稳定性，使整个系统解列，这时某些发电机可能过负荷，因此，必须切除部分用户。短路时电压下降的愈大，持续时间愈长，破坏整个电力系统稳定运行的可能性愈大。

2 短路电流限制措施

短路电流水平同电源接入的层次、电网结构等有直接关系。因此控制短路电流需要在电网建设之初进行统一规划，电网建成后，需要基于电网的实际情况，综合考虑各种因素来达到最优。对于限制短路电流的技术措施，可从电网结构、系统运行方式，选择系统设备等方面考虑。

2.1 改变电网结构

（1）提高系统的电压等级

提高系统电压等级，引进更高电压等级的连接点，均包括直流和交流。在此基础上，使低压电网分层分区运行，可以有效地降低短路电流水平。但需要根据电网规划实行，如果单将其作为解决短路电流问题的手段需在经济上付出巨大的代价。

（2）高压直流输电（HVDC）的互连

在电力系统中，HVDC技术可以应用于减少短路电流水平。首先，它可以替代连接发电机而不会增加故障电流。第二，分开电网并限制故障电流，在互连同时保持系统灵活性。此外，使用电压源转换器考虑到了动态电压支持。

（3）断开或跳通线路

在原有电网的基础上通过改变断路器开关状态，断开或跳通某些线路，电网结构随之改变，短路电流也会发生变化。如果选取的方案适当，就会达到较好的限流目的。

（4）低一级电压电网分层分区运行

高一级电压电网发展到一定程度时，与低一级电压电网形成电磁环网，不利于控制系统的短路电流。因此将低一级电网解环，采用分层分区运行是降低短路电流有效的手段。例如，在500kV电网发展成熟的基础上，将500 kV电网与220kV电网解环运行，使220 kV电网分层分区运行是限制短路电流直接且有效的方法。

分层分区限制短路电流的方法有以下优点：

①网络层次清晰，便于调度操作和事故处理；

②分层分区后取消高低压之间的电磁环网运行，线路输送容量得到充分发挥；

③减少枢纽变电站和电厂母线分段运行，提高其安全性和可靠性；

④改善潮流流向，减少被迫迂回，降低线损。在某些环网中，因为开环运行不存在环流问题，可能输电损失比合环运行时要小，从而可提高输电效率，有更好的经济性。

分层分区有几点原则：①高一级电网主网网架必须足够强壮，能承担各分区间的功率传输；②要确保每个分区与主网架的联络可靠性；③每个分区应有电压、无功调节能力；④每个分区内要保证一定的电源。

（5）母线分段

多母线分列运行或母线分段运行，增大了系统阻抗，可以达到限制短路电流的目的。该措施实施方便，但将削弱系统的电气联系，降低系统安全裕度和运行灵活性，同时有可能引起母线负荷分配不均衡。

2.2 限流设备

2.2.1高阻抗设备

（1）采用分裂低压绕组变压器

分裂变压器是多绕组变压器中的一种特殊形式，和普通多绕组变压器不同点在于：它的低压绕组中有一个或几个绕组分裂成额定容量相等的几个支路，这几个支路没有电气上的联系，而仅有较弱的磁的联系。它有一个高压绕组和两个分裂的低压绕组，分裂绕组的额定电压和额定容量相同，它们的总容量等于变压器的总容量。

低压线圈分裂后，可以大大地增加高压线圈与低压线圈各分裂部分之间，以及低压线圈分裂后的各部分之间的短路阻抗值，这能有效的限制电网的短路电流，因而分裂变压器正在电力工业中被广泛采用。

（2）采用高阻抗主变或发电机

发电机、变压器等设备采用较高的阻抗，是通过增加短路阻抗来限制短路电流。发电机采用高阻抗后会使设备体积减小，励磁机容量减小，但也将导致系统损耗增加，而且由于相角差增大会带来静态稳定问题。

2.2.2 加装限流电抗器

（1）装设母线电抗器

母线电抗器装设在母线分段处，能限制发电机回路、变压器回路、母线上发生短路时的短路电流。在母线各分段之间装设分段电抗器。母线分段处往往是正常工作情况下电流最小的地方，在此装设电抗器，所引起的电压损失和功率损耗都比装在其他地方要小。当任一母线段上发生短路时，由其他分段上的发电机及系统提供的短路电流，都会受到分段电抗器的限制。

（2）装设出线电抗器

在出线中装设电抗器，可以显著减小其所在回路中的短路电流。但是，由于出线回路数一般较多，所需的出线电抗器也较多，会使得整个配电装置的结构趋于复杂，加大材料的消耗，投资与运行费用也相应增加。

3 结论

当今电网迅速发展，规模也不断扩大，发电厂发电机单机容量不断的扩大，使得短路电流问题日益突出，不仅影响了电网的快速发展，也使得电力系统安全性、稳定性降低。

如何在发展电网的同时，有效的控制短路电流水平，成为我国电网亟待解决的问题。短路电流水平同电源接入的层次、电网结构等有直接关系。因此控制短路电流需要在电网建设之初进行统一规划，电网建成后，需要基于电网的实际情况，综合考虑各种因素来达到最优。对于限制短路电流的技术措施，可从电网结构、系统运行方式，选择系统设备等方面考虑。

综上所述，各种限流措施都能一定程度上限制短路电流，都各有利弊。因此。控制短路电流必须根据电网的实际要求，同时考虑到技术水平，经济条件等因素，从全局的、长远的角度出发，将电网规划与控制短路电流工作相协调，将短路电流水平限制在一定的范围内，使电网结构更加合理化，已达到整体效果最优。