電力系統中短路電流的危害及限制措施

喬險峰 單汝濤 王飛

摘要：隨著社會經濟發展的日新月異，現代社會對電的依賴性越來越強，特別是高速鐵路、煤礦、化工等重要用戶對電能質量、安全性、可靠性也提出了更高的要求。運行經驗表明，短路故障嚴重威脅著電網安全穩定運行，同時影響著對這些重要用戶的可靠供電。文章介紹了短路電流的危害及限制措施。

關鍵詞：電力系統；短路電流；危害；限制措施；短路故障；電網運行 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM732 文章編號：1009-2374（2016）27-0133-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.27.062

1 短路電流的概念及危害

1.1 短路電流的概念

所謂短路電流是指電力系統中，相與相之間或相與地之間不等電位短接時產生的電流。短路電流要遠遠大于正常的額定電流。大容量電力系統中，短路電流可高達數萬安培，嚴重威脅著電力系統的安全穩定運行。

1.2 短路電流帶來的危害

發生短路時，系統阻抗迅速減小，流過短路點的電流迅速增加，開關、刀閘、電流互感器、母線等電氣設備需要承受較大的短路電流沖擊，短路電流產生的熱效應會破壞電氣設備的熱穩定；而暫態過程中的短路沖擊電流將在電氣設備上產生一個超過設備耐受極限的電動力，從而破壞電氣設備的動穩定；短路電流增加會造成設備溫度升高，接線端子過熱，加劇設備的絕緣老化，降低設備的使用壽命；過大的短路電流還會造成斷路器開斷能力不足，使斷路器不能有效切除故障，從而造成事故擴大；接地短路時的入地短路電流還會對臨近的通信線路或鐵路信號產生電磁干擾，更重要的是還會在接地短路點附近產生較高的接觸電壓和跨步電壓，嚴重威脅著人身和設備的安全。

2 限制短路電流的方法

2.1 做好電網規劃設計

電網規劃設計在限制短路電流方面的作用不容忽視，電網結構設計合理就能將短路電流限制在一定范圍內。這要求我們的電網設計部門對各種設計方案進行短路計算。一般是計算今后10年左右最大運行方式時三相短路和單相短路接地時的短路電流，并根據短路電流的計算結果，經過比較，篩選出最優的電網設計方案，另外還要考慮到電網互聯的情況。因為該區域電網的短路電流并不僅僅由該局部電網自身所決定，還與互聯電網的電壓等級、電源容量、電源接入方式、中性點接地的數量有關。總之，從電網規劃的角度來控制短路電流意義重大。

2.2 變壓器的短路阻抗要選擇適當

變壓器的短路阻抗百分比是變壓器的一個重要參數，它表明變壓器內阻抗的大小，即變壓器在額定負荷運行時變壓器本身的阻抗壓降大小。它對于變壓器二次側發生突然短路時，會產生多大的短路電流有著決定性意義。短路阻抗大，當二次側發生短路時產生的短路電流小，變壓器所承受的電動力就小，所造成的破壞也小。但是變壓器的短路阻抗不能一味地增大，因為變壓器的短路阻抗增加了，變壓器損耗、體積、重量、絕緣、成本等也會相應增加。而且短路阻抗增加到一定程度后，會增大變壓器設計制造難度，還會帶來變壓器局部過熱問題，同時變壓器本身損耗也會增大。如果短路阻抗選擇過小，二次短路時產生的短路電流大，變壓器繞組發熱嚴重，承受的短路電動力也很大，同時會對電網中的設備造成很大沖擊。為了防止電氣設備的熱穩定和動穩定破壞，在設備選型時要加大短路容量，需要選擇重型設備，因此會增大投資。另外，變壓器短路阻抗選擇適當不僅對變壓器本身有利，還對限制下一級電網的短路電流和降低設備造價起到重要作用。綜上所述，應根據變壓器所在系統條件盡可能選用相關標準規定的標準阻抗值。為了限制過大的短路電流，設計部門應通過經濟技術比較并根據變壓器是分列運行還是并列運行來決定變壓器的短路阻抗。

2.3 使用限流電抗器

電抗器主要是利用電感電流不能突變的原理來防止突變涌流電流，從而達到限制短路電流的目的。加裝串聯電抗器以后，系統阻抗變大，如果串聯電抗器選擇適當，可以有效抑制系統的短路電流，并能取得明顯的經濟效益。

串聯電抗器一般串接在變壓器低壓側、母線分段回路、線路出口側，串聯電抗器技術接線簡單、性能安全可靠。但是由于電抗器的串聯接入，加大了系統阻抗，使系統電壓下降，無功損耗增加，同時對系統的潮流分布也產生了一定影響。因此，串聯電抗器的選擇應經技術經濟比較確定。規程規定，對于電抗率大于3%的電抗器需進行動穩定校驗，同時還要校驗正常工作時的電壓損失和短路時母線上的剩余電壓。同時串接電抗器的過負荷能力要滿足在1.1倍額定電壓和1.3倍額定電流下連續運行，電抗器的絕緣水平也應滿足相關規程規范要求。

隨著電網技術的日新月異，近年來出現了一種新的短路電流限制技術——可控串聯電抗器。這種限流電抗器具有自動跟蹤功能，其容量大小能夠隨著傳輸功率的大小而自動變化，具有正常方式下“零阻抗或低阻抗，發生短路故障時的極短時間內呈現高阻抗”的特性。應用最為廣泛的是晶閘管電抗器，當正常運行時，電流由晶閘管導通，電抗器被短接，一次側阻抗很?。划斚到y發生短路故障，一次側流過短路電流時，晶閘管開斷接入可控電抗器，一次阻抗加大，能大幅度地限制短路電流。這項技術具有良好的發展前景，相信在不久的將來，隨著電網技術的發展，這項技術必將在輸配電系統中得到越來越廣泛的應用。

2.4 采用直流輸電

直流輸電系統由換流變壓器、整流器、直流線路和逆變器等直流設備組成。直流輸電具有交流輸電無法比擬的優勢，其中“定電流調節特性”是直流輸電系統的重要特點。通過控制換流器觸發相位，快速調節直流系統，自動地使直流電流保持為定值，有效地限制了與之相連的交流系統短路電流和短路容量的增大。

2.5 電網分層分區

所謂分層分區是指按傳輸能力的大小和電網的電壓等級將電力系統分為若干結構層次，在不同層次按供電能力劃分為若干區域，使各區域內電力負荷的供需基本平衡。電網分層分區可以明顯降低大系統帶來的潛在威脅，比如高低壓電磁環網引發的系統穩定破壞和局部電網問題誘發的連鎖反應等。

隨著高一級電網的建設，下級電網應逐步實現分區運行，避免和消除嚴重影響電網安全穩定的不同電壓等級的電磁環網。

伴隨著社會用電量的持續增長和電網建設規模的不斷加大，電網間的互聯日益增強，500kV和220kV電網接線越來越趨于復雜，不同電壓等級間的環網增多，220kV系統短路電流越來越接近甚至超過斷路器遮斷容量，某些500kV變電站的單相短路電流也開始出現超標的情況。以上因素使得電網發生事故的概率加大，系統安全穩定性降低。在采用母線上加裝分段電抗器、增大變壓器的阻抗等常規限流措施效果不理想時，電網分層分區就成為降低系統短路電流的重要手段。

以吉林省電網為例，已經實現了“電磁解環”，即各220kV線路以各自的500kV變電站為核心，兩個不同500kV變電站之間的220kV線路分網分區運行。幾年來的運行實踐證明，這種方法在降低系統短路電流水平方面作用明顯，大大提高了電網的運行穩定性。

2.6 采用快速可靠的繼電保護裝置

繼電保護裝置是電力系統中的重要設備，在電力系統中具有舉足輕重的作用。繼電保護裝置正確動作了，才能將故障點有效隔離，才能保證不擴大事故范圍，從而將短路電流限制在一定范圍內。繼電保護裝置的選型、配置是否適當，定值整定以及上下級電網之間的保護配合是否合理，直接關系著電網中一次設備的安全穩定運行。

為了將短路時對系統的沖擊降到最小，電網中重要的設備如主變、母線、線路等需要配置快速保護，保證以最短的時限將故障設備從系統中切除。從短路分析可知，發生短路后約0.01秒短路電流瞬時值達到最大，其值約為短路電流周期分量有效值的2.55倍。對于330～500kV超高壓線路，采用雙套全線速動微機保護能夠保證近端故障時，保護動作時間不超過0.02秒、遠端故障時保護動作時間不超過0.03秒就切除故障，使電氣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，并防止了事故的進一步擴大，縮小了故障范圍，提高了系統的穩定性。對于220～500kV母線，裝設兩套母線保護，保證當母線發生故障時能夠快速并有選擇地切除故障母線。對于主變，瓦斯保護與差動保護作為其主保護，都能保證零秒切除故障。其中瓦斯保護用來保護變壓器內部故障，差動保護用來保護變壓器的套管及引出線故障。

隨著計算機技術、通信技術和網絡技術的飛速發展，智能電網的發展和自動化水平的不斷提高，繼電保護裝置的微機化、網絡化、數字化是必然的發展趨勢。由于數字式微機保護裝置合理的結構和完善的性能，使其在速動性、可靠性等方面要遠遠優于傳統的電磁型保護，因此具有良好的發展前景。未來數字式微機保護技術在限制系統短路電流方面的作用不可估量。

3 結語

近年來我國經濟發展迅速，電力消費也迎來了一個高速增長的新時期。伴隨著電網建設規模的加大和電網結構的日趨完善，系統短路水平還將不斷提高，增長的短路電流已成為制約電網發展的重要因素，如何控制短路電流成為擺在電力科研工作者面前的首要課題。然而控制短路電流是一項任務艱巨而復雜的系統工程，它要求電力科研工作者從電網的規劃設計、系統運行方式等多方面綜合考慮，并結合每個電網自身的特點和當前電力改革的實際，同時借鑒國外的先進經驗，群策群力，積極探索、研究制定出切實可行的、合理的、有效的短路電流限制方案。

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作者簡介：喬險峰（1971-），男，吉林省四平供電公司調控中心工程師，研究方向：電網輸變電。

（責任編輯：秦遜玉）