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[摘要]文章从电网结构和变电站两个层面探讨有效控制短路电流的方法,并对如何控制不对称短路电流提出一些看法。
[关键词]电力工程;短路电流;电网结构;直流输电
[作者简介]陈慧湘,广州南得电力建设有限公司电力工程师,研究方向:电力工程,广东广州,510000
[中图分类号] TM713[文献标识码] A[文章编号] 1007-7723(2010)03-0141-0003
一、电网结构层面中短路电流的控制方法
(一) 电网分层分区运行
在电力系统工程的主网联系加强后,将次级电网解环运行,实现电网分层分区运行,这是控制短路电流的主要方法。电网不断发展的历史从某方面说也是通过不断提升电压等级、对低电压等级进行合理分区的过程。特高压电网形成坚强网架后,为500kV电网优化结构、分区运行创造了条件,将对限制500 kV电网的短路电流起到十分重要的作用。目前500kV主网加强后,220kV电网采取分区运行,降低了220kV电网的短路电流。实践证明,这种方法十分有效。
(二)合理规划电源接入系统方式
电源接入点的选择应充分考虑电源接入后对系统短路电流的影响,并给电网留有一定的发展空间。发电厂宜以单元式接入系统,大电厂间尽可能不要有直接的联络线,且不宜串接在系统主环网中运行。500 kV电网发展初期,对于单机容量较大的机组宜直接接入500kV系统,有利于降低220kV系统短路电流。随着500kV主网架的发展,短路电流逐渐升高,宜考虑将电源均衡接入500kV和220kV系统。目前我国电网进入特高压电网发展初期,新建特大型电源可直接接入特高压电网。
(三)发展直流输电
直流输电系统由换流变压器、换流器、直流输电线路等直流设备组成。定电流调节是直流输电系统的基本调节方式,通过换流器触发相位的控制,直流输电系统可以实现快速调节, 自动保持电流为定值,避免因直流电流剧烈变化对交直流电网安全运行的影响。
(四) 提高配电网供电电压等级
当前我国绝大部分地区的配电网电压等级为10kV,这一电压等级对过去的电网发展发挥了重要作用,但目前在某些地区已逐步不适应电网与负荷发展需要,开始逐步推广将20kV(或35kV)作为配电网的主要电压。配电网设备在电网中数量最多、分布最广,且涉及大量用户,设备管理极为不便,若因主网短路电流升高,要求将配网设备短路容量参数总体提高,这样将使电网增加巨额的投资并使设备管理混乱。为此,国家电网公司企业标准Q/GDW156-2006《城市电力网规划设计导则》中要求将城网10kV、20kV侧的短路电流控制在16kA或20kA以内。
二、变电站层面中短路电流的控制方法
(一)拉停开关、线路
在不严重影响系统可靠性的前提下,拉停变电站内的某些开关与线路,使之退出运行,可以增大电网的等值阻抗,是抑制短路电流较为便捷的手段。对于一台半断路器接线,可采用断开边开关实现站内某串中的2条线路通过中间开关直接相连,不进入变电站母线的方法,短路电流下降明显,如图1中的串1。需要指出的是,串内线路拉开边开关运行,只对降低本站短路电流有明显作用,对相邻其他厂站作用不大。这些方法均是以降低电网运行的可靠性为代价,一般作为临时措施。
(二)变电站采用母线分列运行
打开母线分段开关,将母线分列运行,可以增大系统阻抗,有效降低系统的短路电流水平,该措施实施方便。对于变电站110kV、35kV、10 kV侧母线,这种方法已经普遍采用。在电网发达地区,220 kV母线分列运行也不少见。但对于超高压电网(500kV侧)实施该方案,将削弱系统的电气联系,降低电网安全裕度和运行灵活性。
(三) 采用高阻抗设备
在暂态稳定已不是主要矛盾的电网,可采用提高设备的阻抗值来控制短路电流,这需要从发电、变电各环节同时采取措施才能取得较好的效果。
1.发电设备是短路电流产生的源头,通过采用高阻抗发电机、升压变压器以及采用单元制接线接入电网,可以有效地控制局部的短路电流。但这种方式也不利于电厂调压和保证送电可靠性。电厂无功是系统中重要的动态无功电源,在电压稳定事故中可以起到电压支撑的重要作用。提高电厂接入系统的阻抗值,将会削弱这一功能。
2.采用高阻抗变压器是控制下一级电网短路电流的有效方法。特制的高阻抗变压器通过改变变压器内部结构可以获得更高阻抗,但价格是普通变压器的130%左右。采用高阻抗变压器可以减少电抗器设备的使用,从而减少了检修维护工作量和可能的故障点。实践证明,采用高阻抗变压器是限制短路电流的一种行之有效的办法。但采用高阻抗变压器后,应配置足够的电容器容量,以补偿高阻抗变压器带来的电压损耗与无功损耗,这又增加了变电站的建设投资。
3.采用普通串联电抗器。普通串联电抗器是将一个固定阻值的电抗器串联入电网,是一种传统的限流技术,运行方式简单、安全可靠,但影响电力系统的潮流分布且增加了无功损耗,对系统的稳定性也有一定影响。串联电抗器一般安装于母线联络处或线路接入处。
(四)采用大容量高速开关与电抗器并联方式
目前,国内某些厂家研制出了采用爆炸式快速开断载流桥体与高压限流熔断器、高吸能氧化锌电阻组合的新型大容量高速开关装置(FSR),该装置具有额定电流大(12kA)、断流能力强(160kA)、开断速度快(3ms内切断故障)等性能。FSR装置可以与普通电抗器并联,正常运行时将电抗器短接,短路时FSR快速断开,将电抗器投入以限制短路电流,从而实现正常方式下零阻抗,发生短路故障在极短时间内投入电抗器呈现高阻抗的特性。该装置目前在10kV及以下较低电压等级的用户工程中已有应用。但该装置也存在着先天不足,FSR装置中载流桥体断开是依靠炸药爆破完成的,炸药是一次性的,无法进行检测,长时间运行后存在因炸药受潮变质不能及时爆破的后果;而且该装置为新产品,国家尚无检测及运行维护的标准,无法根据标准进行产品验收及维护。
(五) 应用新型短路电流限制器
随着科技的发展,国内外出现了新的短路电流限制技术——故障电流限制器,可实现正常方式下装置呈现零阻抗或低阻抗,发生短路故障在极短时间内呈现高阻抗的特性,又可称作“可控串联电抗器”。故障电流限制器可分为磁元件故障电流限制器、超导故障电流限制器、PTC(Positive Temperature Coefficient)热敏电阻故障电流限制器和应用电力电子技术的固态故障电流限制器等。其中,超导故障电流限制器和固态故障电流限制器具有独特的限流特性,可提高输电线路和输电网运行的整体控制能力,是最具有发展前景的短路电流控制技术。超导故障电流限制器可靠性高、限流效果好,但运行维护成本高,在大功率场合的应用技术尚不成熟,在超高压电网中的应用还有局限性。固态故障电流限制器目前在中、低压电力系统已有应用。随着电力电子器件水平的迅速提高,柔性交流输电系统(FAc1"S) 日益完善,电力电子器件性价比提高,以电力电子器件为核心部件的高电压、大容量固态限流器的造价将会不断降低,并在输配电系统中得到越来越广泛的应用。
三、控制不对称短路电流水平的方法
由于自耦变压器具有体积小、重量轻、价格低的优点,在电网中一度广泛使用中性点直接接地的自耦变压器,但常常发生500 kV变电站的500 kV与220 kV母线单相接地短路电流超过三相短路电流的现象 。本文前面各措施在限制三相短路电流的同时也控制了不对称短路电流,单独限制不对称短路电流水平的方法还有以下几种。
(一) 加装变压器中性点小电抗器接地
在变压器中性点加装小电抗器施工便利,投资也较小,该阻抗值在零序网络中将放大3倍。因此,在单相短路电流过大而三相短路电流相对较小的场合很有效。在500 kV变电站中性点加装小电抗器对限制500 kV变电站220 kV侧的单相短路电流有效,但对限制500 kV侧的单相短路电流作用不大。
(二)电网中适当增加三线圈变压器的数量
三线圈变压器的中性点接地运行方式比自耦变压器更灵活,变压器运行时中性点可以采用直接接地、不接地、经小电抗器接地三种方式。单相短路电流较大的变电站可选用三线圈变压器,变压器并列运行时,采用一台接地,另一台不接地的局部接地方式来限制单相接地短路电流。以上措施对于减轻三相短路故障的短路电流无效,但对于限制短路电流的零序分量有明显的效果。
四、 结语
合理规划电网结构是控制短路电流的主要方法,特高压交直流电网的建设对电网规划提出新的要求。在现有电网结构基础上,局部适当调整电网运行方式,是抑制短路电流较为便捷的手段。
新型短路电流限制器,具有正常运行时不改变系统阻抗,短路时增大系统阻抗的特点,是具有发展前景的短路电流限制技术。建议相关部门应进一步加强对电网限制短路电流措施及相关产品的研究与开发力度,以有效抑制短路电流水平增长过快的问题。
[参考文献]
[1]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京:中国电力出版社,2004.
[2]Q/GDW156- 2006城市电力网规划设计导则[S].国家电网公司,2006.
