电力系统中短路电流的危害及限制措施

乔险峰 单汝涛 王飞

摘要：随着社会经济发展的日新月异，现代社会对电的依赖性越来越强，特别是高速铁路、煤矿、化工等重要用户对电能质量、安全性、可靠性也提出了更高的要求。运行经验表明，短路故障严重威胁着电网安全稳定运行，同时影响着对这些重要用户的可靠供电。文章介绍了短路电流的危害及限制措施。

关键词：电力系统；短路电流；危害；限制措施；短路故障；电网运行 文献标识码：A

中图分类号：TM732 文章编号：1009-2374（2016）27-0133-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.27.062

1 短路电流的概念及危害

1.1 短路电流的概念

所谓短路电流是指电力系统中，相与相之间或相与地之间不等电位短接时产生的电流。短路电流要远远大于正常的额定电流。大容量电力系统中，短路电流可高达数万安培，严重威胁着电力系统的安全稳定运行。

1.2 短路电流带来的危害

发生短路时，系统阻抗迅速减小，流过短路点的电流迅速增加，开关、刀闸、电流互感器、母线等电气设备需要承受较大的短路电流冲击，短路电流产生的热效应会破坏电气设备的热稳定；而暂态过程中的短路冲击电流将在电气设备上产生一个超过设备耐受极限的电动力，从而破坏电气设备的动稳定；短路电流增加会造成设备温度升高，接线端子过热，加剧设备的绝缘老化，降低设备的使用寿命；过大的短路电流还会造成断路器开断能力不足，使断路器不能有效切除故障，从而造成事故扩大；接地短路时的入地短路电流还会对临近的通信线路或铁路信号产生电磁干扰，更重要的是还会在接地短路点附近产生较高的接触电压和跨步电压，严重威胁着人身和设备的安全。

2 限制短路电流的方法

2.1 做好电网规划设计

电网规划设计在限制短路电流方面的作用不容忽视，电网结构设计合理就能将短路电流限制在一定范围内。这要求我们的电网设计部门对各种设计方案进行短路计算。一般是计算今后10年左右最大运行方式时三相短路和单相短路接地时的短路电流，并根据短路电流的计算结果，经过比较，筛选出最优的电网设计方案，另外还要考虑到电网互联的情况。因为该区域电网的短路电流并不仅仅由该局部电网自身所决定，还与互联电网的电压等级、电源容量、电源接入方式、中性点接地的数量有关。总之，从电网规划的角度来控制短路电流意义重大。

2.2 变压器的短路阻抗要选择适当

变压器的短路阻抗百分比是变压器的一个重要参数，它表明变压器内阻抗的大小，即变压器在额定负荷运行时变压器本身的阻抗压降大小。它对于变压器二次侧发生突然短路时，会产生多大的短路电流有着决定性意义。短路阻抗大，当二次侧发生短路时产生的短路电流小，变压器所承受的电动力就小，所造成的破坏也小。但是变压器的短路阻抗不能一味地增大，因为变压器的短路阻抗增加了，变压器损耗、体积、重量、绝缘、成本等也会相应增加。而且短路阻抗增加到一定程度后，会增大变压器设计制造难度，还会带来变压器局部过热问题，同时变压器本身损耗也会增大。如果短路阻抗选择过小，二次短路时产生的短路电流大，变压器绕组发热严重，承受的短路电动力也很大，同时会对电网中的设备造成很大冲击。为了防止电气设备的热稳定和动稳定破坏，在设备选型时要加大短路容量，需要选择重型设备，因此会增大投资。另外，变压器短路阻抗选择适当不仅对变压器本身有利，还对限制下一级电网的短路电流和降低设备造价起到重要作用。综上所述，应根据变压器所在系统条件尽可能选用相关标准规定的标准阻抗值。为了限制过大的短路电流，设计部门应通过经济技术比较并根据变压器是分列运行还是并列运行来决定变压器的短路阻抗。

2.3 使用限流电抗器

电抗器主要是利用电感电流不能突变的原理来防止突变涌流电流，从而达到限制短路电流的目的。加装串联电抗器以后，系统阻抗变大，如果串联电抗器选择适当，可以有效抑制系统的短路电流，并能取得明显的经济效益。

串联电抗器一般串接在变压器低压侧、母线分段回路、线路出口侧，串联电抗器技术接线简单、性能安全可靠。但是由于电抗器的串联接入，加大了系统阻抗，使系统电压下降，无功损耗增加，同时对系统的潮流分布也产生了一定影响。因此，串联电抗器的选择应经技术经济比较确定。规程规定，对于电抗率大于3%的电抗器需进行动稳定校验，同时还要校验正常工作时的电压损失和短路时母线上的剩余电压。同时串接电抗器的过负荷能力要满足在1.1倍额定电压和1.3倍额定电流下连续运行，电抗器的绝缘水平也应满足相关规程规范要求。

随着电网技术的日新月异，近年来出现了一种新的短路电流限制技术——可控串联电抗器。这种限流电抗器具有自动跟踪功能，其容量大小能够随着传输功率的大小而自动变化，具有正常方式下“零阻抗或低阻抗，发生短路故障时的极短时间内呈现高阻抗”的特性。应用最为广泛的是晶闸管电抗器，当正常运行时，电流由晶闸管导通，电抗器被短接，一次侧阻抗很小；当系统发生短路故障，一次侧流过短路电流时，晶闸管开断接入可控电抗器，一次阻抗加大，能大幅度地限制短路电流。这项技术具有良好的发展前景，相信在不久的将来，随着电网技术的发展，这项技术必将在输配电系统中得到越来越广泛的应用。

2.4 采用直流输电

直流输电系统由换流变压器、整流器、直流线路和逆变器等直流设备组成。直流输电具有交流输电无法比拟的优势，其中“定电流调节特性”是直流输电系统的重要特点。通过控制换流器触发相位，快速调节直流系统，自动地使直流电流保持为定值，有效地限制了与之相连的交流系统短路电流和短路容量的增大。

2.5 电网分层分区

所谓分层分区是指按传输能力的大小和电网的电压等级将电力系统分为若干结构层次，在不同层次按供电能力划分为若干区域，使各区域内电力负荷的供需基本平衡。电网分层分区可以明显降低大系统带来的潜在威胁，比如高低压电磁环网引发的系统稳定破坏和局部电网问题诱发的连锁反应等。

随着高一级电网的建设，下级电网应逐步实现分区运行，避免和消除严重影响电网安全稳定的不同电压等级的电磁环网。

伴随着社会用电量的持续增长和电网建设规模的不断加大，电网间的互联日益增强，500kV和220kV电网接线越来越趋于复杂，不同电压等级间的环网增多，220kV系统短路电流越来越接近甚至超过断路器遮断容量，某些500kV变电站的单相短路电流也开始出现超标的情况。以上因素使得电网发生事故的概率加大，系统安全稳定性降低。在采用母线上加装分段电抗器、增大变压器的阻抗等常规限流措施效果不理想时，电网分层分区就成为降低系统短路电流的重要手段。

以吉林省电网为例，已经实现了“电磁解环”，即各220kV线路以各自的500kV变电站为核心，两个不同500kV变电站之间的220kV线路分网分区运行。几年来的运行实践证明，这种方法在降低系统短路电流水平方面作用明显，大大提高了电网的运行稳定性。

2.6 采用快速可靠的继电保护装置

继电保护装置是电力系统中的重要设备，在电力系统中具有举足轻重的作用。继电保护装置正确动作了，才能将故障点有效隔离，才能保证不扩大事故范围，从而将短路电流限制在一定范围内。继电保护装置的选型、配置是否适当，定值整定以及上下级电网之间的保护配合是否合理，直接关系着电网中一次设备的安全稳定运行。

为了将短路时对系统的冲击降到最小，电网中重要的设备如主变、母线、线路等需要配置快速保护，保证以最短的时限将故障设备从系统中切除。从短路分析可知，发生短路后约0.01秒短路电流瞬时值达到最大，其值约为短路电流周期分量有效值的2.55倍。对于330～500kV超高压线路，采用双套全线速动微机保护能够保证近端故障时，保护动作时间不超过0.02秒、远端故障时保护动作时间不超过0.03秒就切除故障，使电气设备避免承受最大短路电流的冲击，从而达到限制短路电流的目的，并防止了事故的进一步扩大，缩小了故障范围，提高了系统的稳定性。对于220～500kV母线，装设两套母线保护，保证当母线发生故障时能够快速并有选择地切除故障母线。对于主变，瓦斯保护与差动保护作为其主保护，都能保证零秒切除故障。其中瓦斯保护用来保护变压器内部故障，差动保护用来保护变压器的套管及引出线故障。

随着计算机技术、通信技术和网络技术的飞速发展，智能电网的发展和自动化水平的不断提高，继电保护装置的微机化、网络化、数字化是必然的发展趋势。由于数字式微机保护装置合理的结构和完善的性能，使其在速动性、可靠性等方面要远远优于传统的电磁型保护，因此具有良好的发展前景。未来数字式微机保护技术在限制系统短路电流方面的作用不可估量。

3 结语

近年来我国经济发展迅速，电力消费也迎来了一个高速增长的新时期。伴随着电网建设规模的加大和电网结构的日趋完善，系统短路水平还将不断提高，增长的短路电流已成为制约电网发展的重要因素，如何控制短路电流成为摆在电力科研工作者面前的首要课题。然而控制短路电流是一项任务艰巨而复杂的系统工程，它要求电力科研工作者从电网的规划设计、系统运行方式等多方面综合考虑，并结合每个电网自身的特点和当前电力改革的实际，同时借鉴国外的先进经验，群策群力，积极探索、研究制定出切实可行的、合理的、有效的短路电流限制方案。

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作者简介：乔险峰（1971-），男，吉林省四平供电公司调控中心工程师，研究方向：电网输变电。

（责任编辑：秦逊玉）