智能电网基础详细教程：电网短路电流

所谓短路电流，是电力系统设计里的一个重要参数值，指的是电力系统在规定的运行方式下，关注点发生短路时的电流。它其实是一个矛盾值，它既反映了电力系统互相联系的紧密程度和稳定性（短路时，与关注点任一联络线都会为这点贡献短路电流），也反映了该点发生短路时，短路电流的大小。短路容量小，系统不稳定，联络不强；短路容量大，短路电流超标，设备代价昂贵，控制措施复杂。

目前在电网联络越来越紧密的今天，短路电流超标是一个非常大的问题，是电力系统分析计算，方案设计的重要约束条件。（短路电流是电网设备选型基本条件：主要是断路器遮断电流，220kV目前主流为50kA，500kV主流为63kA，短路电流超出遮断容量意味着安全隐患，故电网短路电流数据的提高意味着不满足要求的设备要予以更换，不仅造成电网投资的重大浪费，而且危及电网的安全运行）

一、短路电流的影响因素

发电机对短路电流的影响

根据相关计算和研究，300MW、600MW机组接入220kV系统，对附近母线提供的短路电流分别为2kA、4kA；600MW机组接入500kV系统对附近母线提供的短路电流为2kA。下图为某1000MW机组接入某500kV系统后对短路电流的影响。

降压变对短路电流的影响

1）不同短路阻抗的500kV降压变对220kV侧短路电流的影响

若将2台短路阻抗均为12%的变压器换成短路阻抗为15%的并列运行，则其对220kV母线提供的短路电流将降低3~5kA；若换成短路阻抗为20%的并列运行，则可降低7~11kA。新建或扩建的500kV变电站选择高阻抗变压器可有效降低220kV短路电流。（高阻抗坏处在于网损大，运行效率滴）

2）不同主变配置（短路阻抗为15%）对220kV侧短路电流的影响

当500kV侧短路电流为60kA时，3台750MVA、3台1000MVA、3台1200MVA主变并列运行时向其220kV侧提供的短路电流分别达到29kA、35.8kA、40.7KA；四台可分别达到36.7kA、45kA、50.6kA。所以在一座500kV变电站有3~4台主变后一般考虑分母降低其220kV侧短路电流。（下表为实际工程中计算分析得出）

二、降低短路电流的措施

500kV层面短路电流解决措施

1）变电站母线分段运行。不同变电站出线连接于不同母线上，减少线路之间的电气联络，目前实际生产过程中经常采用此种措施限制短路电流，效果较好，但分母运行带来的是供电可靠性的降低，需权衡考虑。以下即为荆门特高压500kV侧分母运行方案，效果很好，但由于影响可靠性，且特高压安全非常敏感，所以一直不能实施。

2）线路加装串联电抗器。举例说明：8Ω的串联电抗器阻抗标幺值为0.0032，相当于50km导线型号为4×LGJ-500的线路，拉长电气联络，降低短路电流。这个措施目前在上海的500kV黄渡-泗泾线路已经实施，三峡近区的一些重要线路也将实施此类工程，其中有项可研为本人负责，也去500kV泗泾变考察过，感觉这个措施属于治根不治本，可以满足阶段性要求，但存在很多问题，比如会增加网损，还会降低系统的稳定性，而且无功的需求也会增加，特别是考虑N-1的时候。

3）500kV网络结构优化，这类措施不太好深入探讨，依赖于实际情况和分析计算。

220kV层面短路电流解决措施

1）分区分片运行。分片分区是降低短路电流最直接、最有效的措施。以北京电网为例：主要以2~3个500kV变电站的一段220kV母线为中心，将220kV电网划分为几个区，形成以相邻的500kV变电站的220kV母线为供电中心的双环网结构，各分区电网之间在正常方式下相对独立，各分区220kV电力可互相支援，满足500kV主变和220kV线路稳态N-1、N-2的要求。上海电网思路与此不同。

2）其他措施。比如高阻抗设备，线路调整，220kV分母运行等，也是有效手段，但是不如分区分片运行，来的根本，所以电网220kV层面分区分片运行及相关网络分析优化，是限制短路电流的根本措施，也是目前各个省公司重点开展的工程依据。

三、国外限制短路电流的措施

三相短路电流：短路电流水平较高的国家如德国、法国等都采取了在发生故障时快速解列，将母线分段来限制短路电流值。母线解列措施虽然简单易行而且效果显著，但一般只在必要时才采用，因为它可能降低系统的安全裕度，限制运行操作和事故处理的灵活性。国内比较注重安全，所以用的不多，其实也就是一个思路的问题，个人觉得是比较不错的措施。

单相短路电流：单相接地短路电流的大小，主要和系统中性点接地方式及回路的零序阻抗有关。法国采用变压器中性点经小电抗接地的方式，德国不采用自耦变压器作为系统联络用来限制单相短路。有些国家110kV及以上电压电网中的变压器中性点全部直接接地，造成系统的单相接地短路电流大于其三相短路电流，如英国、俄罗斯都是。还有一些国家如美国在有些电力系统中将系统内一部分大容量的Y/Y/△（500/230/35kV）自耦变压器的△侧开口运行以增加变压器的零序阻抗。但不少国家则认为这样作对运行不利。葛洲坝大江电站的发电机变压器组主变压器500kV侧中性点设计安装了经小电抗接地，既解决了单相接地短路电流过大的问题也解决了水电厂机组多，运行方式变化大，系统接地短路电流变化过大，使接地保护整定困难的问题。

四、短路电流与分区供电详述

比较详细的计算分析过程总结。

模型和假定

对于“独立分区”电网，可以简单的以下图来模拟。线路XL代表地方电厂至分区500kV变电站的等值线路；S1..S4代表500kV变电站中配置同类型或者不同类型的变压器。

对于“互联分区”电网，可以用下图的电网结构来模拟。图中元件的意义与上图相同。

假定条件：

1）主变变比525kV/242kV/35kV；

2）根据目前设备的制造能力，新建变电站远景短路电流水平，500kV母线按照63kA控制，220kV母线按照50kA控制；

3）变电站单台变压器的最大容量，并列运行的变压器台数，应使220kV母线短路容量不超过允许值；

4）由于主变并列运行时500kV母线和220kV母线的短路电流只受主变高中压短路电压百分比的影响，仅就主变高中压侧短路电压百分比进行分析。

5）由于电网中电阻远小于电抗，忽略电网和主变中电阻的影响。

6）由于220kV母线两相接地短路电流水平一般相对较低，而单相接地短路电流水平可以通过在主变中性点加装小电抗使其降低到与三相短路电流相近，因此下面仅对变电站母线三相短路进行分析。

7）所取500kV主变高中侧短路电压百分比均在国内目前适用的范围内，均不超过20%。变压器的短路电压百分比超过20%会产生两个弊端，首先是无功电压平衡和电压稳定问题，其次是暂态稳定问题。

220kV母线短路电流计算模型

500kV变电站的220kV母线短路电流主要由两部分组成：500kV系统通过变压器向220kV母线注入的短路电流（简称500kV短路电流分量）和220kV电网注入变电站220kV母线的最大短路电流分量（简称“220kV短路电流分量”）。

在分区电网中，在图61所示的元件参数下，500kV系统通过变压器向220kV母线B242注入的短路电流为：

由上式可见，500kV系统通过变压器注入220kV系统的短路电流和500kV系统的短路容量、变压器的容量和短路电压百分比有关。

220kV短路电流分量主要与220kV地方电厂的容量、接入方式、电网结构等有关。

500kV系统提供的短路电流分析

假设变电站中的变压器均为同类型，下表给出了不同容量配置的变压器在500kV系统注入短路电流不同时，注入220kV母线的短路电流值（其中容量为750MVA、1000MVA、1500MVA的变压器短路电压百分比分别取为12％、16％、19％）

由此可见，变压器容量越大，每100MVA变电容量向220kV母线提供短路电流越小。

220kV独立分区电源配置及供电能力

以500kV短路电流分量为限制，计算220kV短路电流分量的最大值，从而推导220kV独立分区的电源配置。220kV独立分区的供电能力等于500kV变电站的供电能力与220kV地方电厂供电能力之和。

1）地方电厂提供给220kV母线的短路电流

在220kV独立分区中，根据图1所示的电厂和升压变参数下，地方电厂提供给分区母线B242的短路电流如下式：

不同容量机组接入500kV变电站对其220kV母线的短路电流贡献。（当机组容量为600MW时，Xd”取0.2，其他容量的机组Xd”取0.16，升压变短路电压百分比全部选择为17％，即Xd”+Uk=0.33~0.37，取0.8~0.85，电厂连接500kV变电站220kV母线的等值220kV线路长为50km，导线型号为LGJ-2*630。）

（1）电厂对500kV变220kV母线的短路电流贡献约为（0.6~0.7）kA/100MW左右。

（2）一台300MVA机组接入系统，可提供2.1kA左右的短路电流分量；一台400MVA机组接入系统，可提供2.5kA左右的短路电流分量；一台600MW机组接入220kV系统，可提供3.8kA左右的短路电流分量。

（3）机组容量在300MW及以上，总量为1200MW规模的电厂接入220kV电网，可能给220kV系统提供的短路电流水平为6.9~7.4kA左右，总量为1800MW规模的电厂接入220kV电网，可能提供的短路电流水平约为12.4kA。

（4）地方电厂接入500kV变电站的等值距离越远，提供短路电流越小，反之越大。

2）地方电厂提供给500kV母线的短路电流

在220kV完全分区中，地方电厂提供给500kV母线的短路电流如下：

不同容量机组按50km线路接入500kV变电站时对其500kV母线短路电流贡献估算。

1）经过计算，220kV电厂接入系统后注入500kV侧的短路电流远小于其注入220kV母线的短路电流，约为（0.18~0.27）kA/100MW左右；

2）机组容量总量为1200MW及以上规模的电厂接入220kV系统，提供给500kV母线的短路电流水平为2～3kA之间。相对于500kV电网注入500kV侧的短路电流而言，接入220kV的电厂机组对500kV侧的短路容量影响甚微。

3）同样，地方电厂接入500kV变电站的等值距离越远，其提供的短路电流越小，反之越大；而若电厂的规模越大，其提供的短路电流越大，反之越小。

2）供电能力分析

220kV独立分区供电能力的大小取决于分区内500kV变电站主变的运行情况（并列运行或分列运行）、500kV变电站500kV母线的短路电流水平、分区内的电厂容量和分区电网的网络接线。

采用750MVA主变时：

一般来说，变电站的变压器考虑1.3倍的过载能力，变电站只考虑配置同类型的变压器，且系统具备在变压器允许过载时间内使方式调整至变压器不过载。

当分区电网的500kV变压器选择单台容量为750MVA，短路电压百分比为12％，主变台数为2~4台时，此分区供电能力约为4400～4700MW左右，且分区负荷转移能力随着变压器台数的增加呈正比增加。

采用1000MVA主变时：

因此，当分区500kV变选择短路电压百分比为16％，单台容量1000MVA的主变时：

（1）当变电站主变台数为2~4台时，分区供电能力约为5000～5400MW左右，且分区负荷转移能力随着变压器台数的增加呈正比增加。

（2）从运行角度出发，分区电源容量不宜超过4000MW，否则会因机组提供的短路电流过大，导致分区在只有两台500kV主变的情况下，500kV变电站220kV被迫分母运行，降低了供电可靠性和运行灵活性。

采用1500MVA主变时：

变压器容量为1500MVA，短路电压百分比取19％，主变配置台数不同时分区内供电能力变化较大，在5000～6400MW之间，分区内每增加一台主变将增加500～800MW的供电能力；分区负荷转移能力随着变压器台数的增加呈正比增加。可见1500MVA的主变适用于分区负荷较大，地方电厂较小的分区。

结论：

（1）对于无源分区：

对负荷预测值为4000MW以下的分区，可优先考虑用750MVA的变压器，短路电压百分比为12％及以上；

对负荷预测值为4000～5000MW的分区，可优先考虑用1000MVA的变压器，短路电压百分比取16％及以上；

（2）对于有源分区：

变压器的容量不宜选得很大，否则，分区的供电能力将不升反降；

对负荷预测值为4000MW以下的分区，可优先考虑用750MVA的变压器，短路电压百分比为12％及以上；

对负荷预测值为4000MW以上的分区，可优先考虑用1000MVA的变压器，短路电压百分比取16％及以上，尽量控制分区内的电源规模。

220kV互联分区电源配置及供电能力

为便分析，设分区内500kV变电站配置完全相同，站间距离为100km；750MVA变压器短路电压百分比取12％，1000MVA变压器短路电压百分比取16％，1500MVA变压器短路电压百分比取19％；地方电厂均以50km距离接入互联系统。

1）短路电流分析

互联距离为100km时，500kV变电站主变不同配置下，分区间相互提供给220kV母线的短路电流值大都在7kA左右，而短路电流值将随着互联分区间的距离的减少而增加。分区间相互提供给变电站500kV侧母线的短路电流还与主变的短路电压百分比相关，短路电流值相对较小，电磁环网运行对500kV侧的短路容量影响甚微。

打开分区间的联络线，可以降低互联系统变电站220kV母线的短路电流，而变压器运行方式由并列运行调整为分列运行时也可以降低短路电流。互联分区间的联络线路解环运行亦或主变分列运行对降低220kV母线短路电流与互联分区间的电气距离有关。

经过计算得出，4台变压器并列运行（容量为750~1500MVA），当互联距离为31~38km时，提供的短路电流值与500kV变电站并列运行调整为分列运行减少的短路电流值相等。

2）地方电厂接入能力分析

随着500kV系统注入短路电流的增加，可接入电厂的机组容量逐渐减少；随着互联系统主变容量的增加，可接入电厂的机组容量逐渐减少。

由前面的理论知识可知，允许接入电网的最大机组还与变压器短路电压百分比以及互联分区间距离等因素有关，可以得出以下结论：在500kV系统注入电流恒定时，随着变压器短路电压百分比的增加，可接入的地方电厂容量逐渐增加；变压器短路电压百分比保持不变时，可接入电厂的机组容量随着互联分区间距离的增大而增加。

可见：500kV系统注入短路电流为55kA时，分区互联后，可接入地方电厂机组容量减少约1000MW左右。

3）供电能力分析

主要考虑形式为“2台-2台”方式运行时的供电能力研究。

互联分区适用于无源区域或者地方电厂容量较小的区域，将两个500kＶ供区互联运行可以提高各自的供电可靠性，同时限制了接入地方电厂的能力，但是由于互联运行后500kV主变负载率的提高，综合来看，由表614可知，当500kV系统注入短路电流小于55kA时，互联分区电网的供电能力将大于相应两个独立分区电网的供电能力之和，而大于55kA时则比其小。

电网分区规模和分区数量的估算

负荷值和500kV变电站个数对220kV分区划分的影响是存在联系并共同起作用的。

（完）