淺析云南電網(wǎng)面臨短路電流超標(biāo)問題的幾個(gè)解決辦法

徐文久，王輝春

（云南電力試驗(yàn)研究院（集團(tuán)）有限公司，云南 昆明）

引言

2016 年云南電網(wǎng)與南方電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，云南電網(wǎng)變成獨(dú)立運(yùn)行電網(wǎng)。隨著云南電網(wǎng)不斷發(fā)展，云南電網(wǎng)系統(tǒng)容量及短路電流不斷增大，可能出現(xiàn)短路電流接近或超過(guò)開關(guān)遮斷電流，造成開關(guān)無(wú)法開斷（即開關(guān)拒動(dòng)），嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全。因此，云南電網(wǎng)面臨短路電流超標(biāo)問題時(shí)，需要選擇有效的解決辦法。

1 云南電網(wǎng)概況

云南地跨長(zhǎng)江、珠江、元江、瀾滄江、怒江、大盈江6 大水系。截止2022 年，云南電網(wǎng)公司建成“四橫三縱一中心”的500 kV 主網(wǎng)架構(gòu)。云南電網(wǎng)的交流電壓等級(jí)主要有500 kV、220 kV、110 kV、35 kV 及10 kV，直流電壓等級(jí)主要有±500 kV、±800 kV。云南電網(wǎng)±800 kV 楚穗、普僑、新東、昆柳龍、±500 kV 牛從雙回、金中、永富、祿高肇及魯西換流站背靠背直流異步聯(lián)網(wǎng)工程組成“西電東送”共計(jì)10 條送電大動(dòng)脈，將云南的風(fēng)、光、大水電等清潔能源大容量、遠(yuǎn)距離送入南網(wǎng)[1]。

2 云南電網(wǎng)可以考慮的幾個(gè)短路電流超標(biāo)的解決辦法

2.1 使用有效的500 kV 限流器

云南電網(wǎng)面對(duì)日益增大的短路電流，可以使用有效的500 kV 限流器[2]。云南電網(wǎng)可以使用華東電網(wǎng)提出的短路電流限制器或SCCL 短路電流限制器來(lái)限制短路電流，如圖1、圖2 所示。

圖1 華東電網(wǎng)短路電流限制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 500 kV SCCL 短路電流限制器

圖3 中取基準(zhǔn)容量SB=1 000 MVA，基準(zhǔn)電壓UB=500 kV，基準(zhǔn)電流IB=SB/(√3*UB)=1.155 kA，基準(zhǔn)阻抗，兩個(gè)等值電源正序阻抗標(biāo)幺值為0.0289，通過(guò)500 kV 線路經(jīng)SCCL 相連，其中一側(cè)母線三相短路，線路不同情況下計(jì)算最大短路電流（為最大三相短路電流）如下：

圖3 500 kV 兩個(gè)不同電源系統(tǒng)的等值連接圖

可見未裝設(shè)SCCL 時(shí)，短路電流較大，使用SCCL后，短路電流大幅降低。

基于TPSC 技術(shù)的短路電流限制器利用電感電容串聯(lián)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，依據(jù)串聯(lián)諧振的原理，使限制器在系統(tǒng)正常情況下呈現(xiàn)零阻抗；而在短路發(fā)生幾個(gè)毫秒后通過(guò)導(dǎo)通晶閘管迅速旁路電容器，呈現(xiàn)電抗器的電抗，且能與幾十毫秒動(dòng)作出口的主保護(hù)形成配合，從而達(dá)到對(duì)短路電流的抑制[3]。此外，SCCL 短路電流限制器一般裝設(shè)在大電源的出口處和大系統(tǒng)之間的聯(lián)絡(luò)線上。

2.2 使用和研制更大遮斷容量的開關(guān)

云南電網(wǎng)500 kV 主網(wǎng)短路電流在40～50 kA 左右，部分500 kV 廠站廠口、曲靖等短路電流較大，已接近開關(guān)開斷電流，為了防止開關(guān)拒動(dòng)，已經(jīng)立項(xiàng)整改更換為遮斷容量63 kA 的斷路器。

國(guó)外西門子可生產(chǎn)80 kA 的斷路器，但其滅弧室結(jié)構(gòu)與常規(guī)2 斷口設(shè)計(jì)不同，為4 斷口設(shè)計(jì)，設(shè)備價(jià)格約為常規(guī)開關(guān)的1.8 倍。目前國(guó)際上使用80 kA 開關(guān)的數(shù)量極少，安全可靠性還有待實(shí)踐驗(yàn)證[4]。

國(guó)內(nèi)外常用的開關(guān)遮斷容量最大為63 kA。提高斷路器的遮斷容量，技術(shù)限制較大，成本更高，設(shè)備停電困難，可能還涉及相關(guān)配套設(shè)備如隔離開關(guān)、電流互感器、絕緣子等更換。隨著云南電網(wǎng)的不斷發(fā)展，短路電流不斷增大，更換更大遮斷容量的開關(guān)技術(shù)限制較大，并不能完全解決云南電網(wǎng)短路電流超標(biāo)問題[5]。

2.3 在云南電網(wǎng)220 kV 電網(wǎng)側(cè)使用直流背靠背工程，實(shí)行局部隔離

云南電網(wǎng)早期提出：針對(duì)云南電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和滇西北富裕電力外送的存在問題，提出采用直流背靠背工程隔離滇西北中小水電和云南主網(wǎng)的工程設(shè)想，該工程的提出，對(duì)于電網(wǎng)安全分區(qū)，提高送電極限，限制短路電流超標(biāo)，提供了一個(gè)新思路。

云南電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)后，對(duì)云南電網(wǎng)再分區(qū)，一定程度上會(huì)降低電網(wǎng)整體的抗干擾能力，但云南電網(wǎng)整體以水電為主，調(diào)節(jié)能力及抗擾動(dòng)能力強(qiáng)，系統(tǒng)容量較大，部分地區(qū)保證穩(wěn)定的前提下可以適當(dāng)考慮在220 kV 電網(wǎng)側(cè)進(jìn)行直流背靠背工程，特別是部分較難解開的500/220 kV 電磁環(huán)網(wǎng)可以考慮在220 kV聯(lián)絡(luò)站內(nèi)進(jìn)行直流背靠背工程。通過(guò)直流控制的定電流調(diào)節(jié)技術(shù)快速調(diào)節(jié)，來(lái)限制高電壓等級(jí)線路故障導(dǎo)致的潮流轉(zhuǎn)移，并且極大降低電磁環(huán)網(wǎng)的短路電流[6]。

縱觀國(guó)內(nèi)外大停電，大停電一旦發(fā)生將立即波及整個(gè)交流電網(wǎng)，直流聯(lián)網(wǎng)隔離則對(duì)預(yù)防大面積停電事故有一定的天然優(yōu)勢(shì)，如2003 年8 月美加大停電，紐約長(zhǎng)島因使用直流聯(lián)網(wǎng)，影響較小。國(guó)內(nèi)2006 年華中電網(wǎng)“7.1”事故因進(jìn)口保護(hù)誤動(dòng)，最終導(dǎo)致華中電網(wǎng)功率振蕩，交流聯(lián)網(wǎng)的華北、華中電網(wǎng)解列，對(duì)直流聯(lián)網(wǎng)的西北、華東、華南電網(wǎng)影響較小。

2.4 推進(jìn)云南電網(wǎng)500/220 kV 電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)運(yùn)行

電磁環(huán)網(wǎng)是電網(wǎng)老生常談的話題，它是電力系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中的產(chǎn)物，在高一級(jí)電壓電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展的初期，往往高壓和低一級(jí)電壓的電網(wǎng)形成電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行，隨著高一級(jí)電壓電網(wǎng)的建設(shè)，需要?jiǎng)?chuàng)造條件、有計(jì)劃地及早打開電磁環(huán)網(wǎng)，簡(jiǎn)化和改造低壓網(wǎng)絡(luò)，使之分片、分區(qū)運(yùn)行[7]。

云南電網(wǎng)仍然保持多個(gè)500/220 kV 電磁環(huán)網(wǎng)方式運(yùn)行。主要存在兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn)：一是高電壓等級(jí)線路故障，負(fù)荷轉(zhuǎn)移到低壓線路上，引起過(guò)負(fù)荷跳閘帶來(lái)的系統(tǒng)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)；二是500/220 kV 電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行方式，短路電流超標(biāo)，部分廠站開關(guān)開斷能力不足帶來(lái)斷路器拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)合理制定解環(huán)方案，條件具備的地區(qū)應(yīng)堅(jiān)決實(shí)施500/220 kV 電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)，防范系統(tǒng)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化220 kV 網(wǎng)架。

2.5 交流電網(wǎng)發(fā)展的規(guī)律，引入一個(gè)新的更高的交流電壓等級(jí)

根據(jù)電力發(fā)展規(guī)劃，金沙江中游龍盤水電站（420萬(wàn)kW）和兩家人水電站（300 萬(wàn)kW）的開發(fā)，以及可能開發(fā)的怒江（規(guī)劃裝機(jī)容量21.32 GW），屆時(shí)云南電網(wǎng)的裝機(jī)容量將達(dá)到一個(gè)空前的高度，云南電網(wǎng)需要解決更高的輸送容量和短路水平問題。

國(guó)內(nèi)外專家普遍認(rèn)為，系統(tǒng)容量翻倍，就需要引進(jìn)一個(gè)新的電壓等級(jí)[8]。云南電網(wǎng)有兩個(gè)電壓等級(jí)可供選擇：800 kV 和1 000 kV，縱觀國(guó)內(nèi)外情況如下：

2.5.1 1 000 kV

1994 年武漢高壓研究所建成了我國(guó)第一條1 000 kV 特高壓輸電研究線段。2009 年1 月1 000 kV 晉東南- 南陽(yáng)- 荊門特高壓試驗(yàn)示范工程投入商業(yè)運(yùn)行。2016 年12 月蒙西- 晉北- 北京西- 天津南1 000 kV 特高壓交流輸變電工程投產(chǎn)。

前蘇聯(lián)1985 年建成900 km 線路按1 150 kV設(shè)計(jì)電壓運(yùn)行，運(yùn)行5 年后，因負(fù)荷增長(zhǎng)緩慢及多次雷擊過(guò)電壓，降壓至500 kV 運(yùn)行。日本國(guó)土面積和云南接近，1988 年日本開始建設(shè)福島和柏崎東京1 000 kV 約400 km 線路，建成250 km 后因負(fù)荷增長(zhǎng)緩慢降壓至500 kV 運(yùn)行。

2.5.2 800 kV

西北電網(wǎng)750 kV“三站五線”工程2008 年全面提速建設(shè)后，中國(guó)西北750 kV 電網(wǎng)已經(jīng)建成運(yùn)行多年且比較成熟[9]。

韓國(guó)國(guó)土面積只有云南1/4，2002-2011 年建了10 個(gè)765 kV 變電站（4 個(gè)為電廠升壓站），線路總長(zhǎng)768 km。巴西伊泰普工程（屬于巴西側(cè)交流部分）就是500 kV 升壓到800 kV，送至圣保羅后再分兩路降壓為500 kV 或345 kV，運(yùn)行上并無(wú)任何問題。

根據(jù)世界各國(guó)電壓等級(jí)發(fā)展的規(guī)律，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式相鄰等級(jí)的電壓比一般為1.8～3，若在500 kV 電網(wǎng)基礎(chǔ)上引入800 kV 電壓等級(jí)電網(wǎng)，則輸電容量增加不多而兩級(jí)電壓相距太近，然而800 kV 電壓等級(jí)電網(wǎng)在國(guó)內(nèi)外運(yùn)行技術(shù)成熟，建設(shè)成本相比于1 000 kV 電網(wǎng)較低；另外采用柔性交流輸電技術(shù)及多分裂（常規(guī)4 分裂）導(dǎo)線等可以大大提高輸電容量，滿足云南電網(wǎng)未來(lái)發(fā)展的需要，因此不必拘泥于經(jīng)驗(yàn)公式，在500 kV 上疊加735 kV、765 kV 或800 kV 已有很多實(shí)際應(yīng)用的例子。

此外，過(guò)電壓?jiǎn)栴}帶來(lái)的設(shè)備絕緣及相間距離要求較高，如日本1 000 kV 特高壓工程的操作過(guò)電壓為（其中相對(duì)相取2.6），當(dāng)考慮1.1～1.2 倍的安全系數(shù)時(shí)，可得50%放電電壓為2 596～2 802 kV，對(duì)應(yīng)最小相間絕緣氣隙距離應(yīng)該取8～10 m，如圖4 所示。

圖4 棒- 棒間隙50%放電電壓曲線

前蘇聯(lián)1 150 kV 輸電線路，相對(duì)相取2.7，對(duì)應(yīng)的相間導(dǎo)線距離達(dá)24.2 m。我國(guó)500 kV 緊湊型輸電線路，相對(duì)相取3.3，對(duì)應(yīng)最小相間絕緣氣隙距離取3～5 m。800 kV 輸電線路，相對(duì)相取3.0，對(duì)應(yīng)最小相間絕緣氣隙距離取應(yīng)該取5～7 m。可見，800 kV 相對(duì)于1 000 kV 等級(jí)設(shè)備絕緣要求和相間距離要求大大降低。圖4 中電壓超過(guò)2 800 kV 后，曲線趨于飽和，電壓升高帶來(lái)對(duì)應(yīng)的相間絕緣氣隙距離大幅增加。

我國(guó)發(fā)展了部分1 000 kV 特高壓交流工程，主要是為了把西北地區(qū)大火電、光伏、風(fēng)電送至東部地區(qū)；另外占領(lǐng)技術(shù)制高點(diǎn)，意義重大，也可以積累寶貴的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，為國(guó)內(nèi)外電網(wǎng)的多方向發(fā)展提供參考[10]。然而對(duì)于云南電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，與南方電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行后，云南電網(wǎng)變成獨(dú)立運(yùn)行電網(wǎng)，大部分大型水電站已經(jīng)通過(guò)多條直流通道連接南網(wǎng)，800 kV 電網(wǎng)已經(jīng)滿足云南省內(nèi)輸電要求，沒有必要建設(shè)成本更高，運(yùn)行維護(hù)難度更大的1 000 kV 特高壓交流工程。

3 結(jié)論

借鑒廣東、京津唐、華東、浙江電網(wǎng)短路電流限制措施如下：

（1） 500 kV 短路電流限制措施：通過(guò)斷線，線路出串等措施增大正序綜合阻抗。但這一措施在云南電網(wǎng)很難實(shí)行，云南電網(wǎng)屬于電源側(cè)，遠(yuǎn)離大負(fù)荷中心，網(wǎng)架投入不足，主網(wǎng)薄弱。因此云南電網(wǎng)500 kV電網(wǎng)可以主要考慮：采用基于TPSC 技術(shù)的SCCL、更換更大開斷短路電流開關(guān)、引入更高一級(jí)電壓800 kV 等措施來(lái)限制500 kV 側(cè)短路電流。

（2） 限制220 kV 側(cè)短路電流的方法：可以通過(guò)采用高短路阻抗變壓器、分母運(yùn)行、變壓器中性點(diǎn)接小電抗、解開500/220 kV 電磁環(huán)網(wǎng)等限制短路電流。云南電網(wǎng)220kV 側(cè)接入電廠較多，一直采用高阻抗變壓器、變壓器中性點(diǎn)小電抗接地等手段限制短路電流；主要問題還是電磁環(huán)網(wǎng)嚴(yán)重，很多地方解環(huán)困難。針對(duì)電磁環(huán)網(wǎng)主要考慮：加強(qiáng)500 kV 電網(wǎng)建設(shè)，對(duì)220 kV 電網(wǎng)合理分區(qū)，推進(jìn)500/220 kV 電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)工作，嘗試220 kV 電網(wǎng)側(cè)使用直流背靠背工程，定電流調(diào)節(jié)控制短路電流；地區(qū)電源避免集中接入。

解決短路電流問題是一個(gè)系統(tǒng)問題，僅靠單一措施不可能完全解決，需采取多種措施多管齊下，要用系統(tǒng)的思維統(tǒng)籌全局，進(jìn)一步研究分析對(duì)比，并借鑒國(guó)內(nèi)外限制短路電流經(jīng)驗(yàn)，最終找到適合云南電網(wǎng)短路電流超標(biāo)問題的解決辦法。