電力系統中短路電流的危害問題與對策

孫哲 王廣舉

國網河南禹州市供電公司 461670

摘要：在電力系統的設計和運行中，不僅要考慮正常工作狀態，而且還必須考慮到發生故障時所造成的不正常工作狀態。本文分析了電力系統短路電流的危害，介紹了目前我國常用的一些限制短路電流的方法，并探討了進一步提高限制短路電流水平的措施。

關鍵詞：電力系統；短路電流

1 引言

電力系統短路是指供電系統中不等電位的導體在電氣上被短接，如相與相之間的短接，或在中性點接地系統中一相或幾相與大地相接以及三相四線制系統中相與零線的短接等。當發生短路時，電源電壓被短接，短路回路阻抗很小，于是在回路中流通很大的短路電流。三相短路電流計算是電力系統規劃、設計、運行中必須進行的計算分析工作。如果短路電流計算結果偏于保守，有可能造成不必要的投資浪費，若偏于樂觀則將給系統的安全穩定運行埋下災難性的隱患。隨著我國電網規模的快速增加，使短路電流不斷升高，已嚴重影響到電網的安全運行，這也成為制約電網發展的重要因素。有預計指出，三峽電站可能的最大短路電流周期分量將達300kA，而目前國際上生產的100kA的GIS已是屬最大容量，國內尚無此生產能力。因此，限制短路電流是電氣工程設計者在發電廠和變電站設計中經常遇到和需要解決的技術問題。

2 短路電流及其危害

2.1 短路電流

短路電流是電力系統在運行中，相與相之間或相與地（或中性線）之間發生非正常連接（即短路）時流過的電流。其值可遠遠大于額定電流，并取決于短路點距電源的電氣距離。例如，在發電機端發生短路時，流過發電機的短路電流最大瞬時值可達額定電流的10～15倍。大容量電力系統中，短路電流可達數萬安。這會對電力系統的正常運行造成嚴重影響和后果。

2.2 短路電流的危害

① 短路電流增大，斷路器、隔離開關、電流互感器等串接設備以及母線等設備需要承擔大電流沖擊，故必須選擇大容量設備，且輸電線路也必須要大容量，這就造成設備投資大大增加。

② 由于短路電流增大，系統單相接地短路電流也隨之增大，這也造成了對通信線路電磁感應危害的增加。同時也造成鐵塔附近接觸電壓和跨步電壓的增加，危害人畜生命安全。

③ 短路電流增加，架空導線的溫度也會上升，造成線夾部分過熱，同時也使架空線路故障點損傷加劇，如絕緣子破損、導線熔斷等問題。

因此，在電氣工程設計中，限制短路電流的目的主要是：① 保證導體和電氣設備的安全運行，從而保證電網安全、可靠地搶送電能；② 使用輕型廉價電器，降低工程投資。

3我國限制電網短路電流的主要方法

目前在電力系統中，用得較多的限制短路電流的方法有以下幾種：

3.1選擇發電廠和電網的接線方式

通過選擇發電廠和電網的電氣主接線，可以達到限制短路電流的目的。

為了限制大電流接地系統的單相接地短路電流，可采用部分變壓器中性點不接地的運行 方式，還可采用星形-星形接線的同容量普通變壓器來代替系統樞紐點的聯絡自耦變壓器。

在降壓變電所內，為了限制中壓和低壓配電裝置中的短路電流，可采用變壓器低壓側分列運行方式；在輸電線路中，也可采用分列運行的方式。

對環形供電網，可將電網解列運行。

3.2 采用分裂繞組變壓器和分段電抗器

在大容量發電廠中為限制短路電流可采用低壓側帶分裂繞組的變壓器，在水電廠擴大單 元機組上也可采用分裂繞組變壓器。

3.3 采用線路電抗器

線路電抗器主要用于發電廠向電纜電網供電的6～10kV配電裝置中，其作用是限制短路 電流，使電纜網絡在短路情況下免于過熱，減少所需要的開斷容量。

3.4 采用微機保護及綜合自動化裝置

從短路電流分析可知，發生短路故障后約0.01s時間出現最大短路沖擊電流，采用微機保護僅需0.005s就能斷開故障回路，使導體和設備避免承受最大短路電流的沖擊，從而達到限制短路電流的目的。

4限制短路電流的多種措施

4.1 運用FCL限制短路電流

故障電流限制器（FCL，faultcurrentlimiter）是現代電力系統中的重要元件。使用FCL的優越性有：

（1）一般來說，電壓等級越高，故障電流越大，越難以開斷，而FCL的使用可直接減輕斷路器的開斷負擔。

（2）快速限制短路電流可減少線路的電壓損耗和發電機的失步概率，如果能配置恰當的限流器，則系統的功角穩定、電壓穩定和頻率穩定都能得到有效的改善，電網和設備事故也就可得到有效的控制。

（3）目前輸電線路的實際輸送能力均在穩定極限以下，如果限流器能在短路電流達到峰值之前就發揮作用，大多數設備設計和選用時所要求的熱穩定極限及動穩定極限就可降低，電網的熱極限及穩定極限比也可相應減小，從而大大提高了輸電線路的利用率，降低整個電網的投資。

限流熔斷器實現的FCL，要適應自動重合閘還有待于自恢復限流熔斷器的發展，并且這種方法要求有能承受正常狀態下CT接線方式而故障狀態下PT接線方式的變壓器，因此對變壓器的性能要求較高，但此方法最為簡單，開發周期最短，不失為一種可供參考的方法。若選擇間隙放電式FCL作為原始研究，它的技術難點在于放電間隙的選擇及如何提高其工作穩定性，這種方式的FCL在目前經濟技術的基礎上是最可取的。

4.2 從系統結構上采取措施

結合系統規劃，從系統結構上采取措施可考慮：發展更高一級電壓電網；采用直流聯網；新的大容量電廠要盡量接入最高一級電壓網絡；建設新的輸電線路時，注意降低網絡的緊密程度；分區供電，低壓電網分片運行，多母線分列運行或母線分段運行等。上述各種思路及方法應根據具體網絡實際情況和技術經濟角度出發研究制定，并最大限度地保證供電可靠性。

4.3 變壓器中性點加裝小電抗接地

隨著500kV變電站逐漸增多以及500kV自耦變的大量使用，部分500kV廠站220kV側母線單相短路電流大于三相短路電流，這時可以采取在500kV主變的中性點處加裝小電抗接地，來解決單相短路電流超標的問題，但需加裝多大電抗值的小電抗需要從所需限制的短路電流水平、設備絕緣水平，系統穩定性和經濟性等多方面因素來綜合考慮。

4.4 采用限流電抗器

采用串聯電抗器以增加系統等值阻抗從而限制短路電流在理論上是很有效的，但在實際中，串聯電抗器大多用于10～35kV電壓電網，如發電廠的廠用電系統，或裝在母線上，或裝在電纜出線上，在220kV及以上電壓等級系統中應用得比較少，在這方面還要進一步加大研究力度。

4.5 各大電網限制短路電流的經驗

對于單相短路電流較大的網絡，可以考慮采用變壓器中性點加裝小電抗接地的措施限制短路電流；對于三相短路電流較大的網絡，可以考慮采用高阻抗變壓器的措施限制短路電流。

當750kV網架結構比較堅強后，應逐步實現分層分區的運行方式來限制短路電流。

實現變電所母線分列運行是限制短路電流最直接、最有效的方法。

在經濟合理與建設條件可行的前提下，應采取將主力電廠直接接入最高一級電壓電網的措施限制短路電流。

5 結語

總體上看，提高電網的短路電流水平是一個長期而且復雜的過程，要把短路電流的控制問題落實到規劃階段，在規劃中綜合考慮電網和電源的建設和發展；同時結合目前的電力市場改革，研究實施短路電流市場化的方案，并積極推進與有關高校、科研院所合作共同研制新的限制短路電流的設備。

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