（电力系统及其自动化专业论文）降低地区电网短路容量方法的研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u s l yd e v e l o p i n go ft h ep o w e rs y s t e mi no u rc o u n t r y , t h ef a u l tc u r r e n to ft h e 鲥di s c o n s e q u e n t l yi n c r e a s i n g h o wt ol i m i tt h ef a u l tc u r r e n tu n d e rar e a s o n a b l ev a l u eh a sb e e no n eo f t h em o s tu r g e n t p r o b l e m t h ed i s s e r t a t i o nd i s c u s s e sc o m p r e h e n s i v em e a s u r e 3t ol i m i tt h ef a u l tc u r r e n to f t h e 鲥d i tc o n s i d e r sf e a s i b l e c u r r e n t - l i m i t i n gs y n t h e t i c a lm e a s u r e sf r o mt h ed i f f e r e n tw a y ss u c ha st oi m p r o v et h es t r u c t u r eo ft h eg n d , t o c h a n g et h eo p e r a t i o nm o d e ，t ou t i l i z et h ef a u l tc u r r tl i m i t e ra n dt h ec u r r e n tl i m i t i n gr e a c t o r , t h eh i g l li m p e d a n c e t r a n s f o r m e r , e r e a m o n ga l l t h e s em e t h o d s t h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h em e t h o do fv o l t a g e - g r a d i n ga n d d i s t r i c t - d i v i d i n g t ot h ef a u l tc u r r e n ti n c r e a s i n gi s u r e df i o me l e c t r o m a g n e t i cl o o pn e t w o r k s t h ed i s s e r t a t i o np u t sf o r w a r d c o r r e s p o n d i n gc o u n t e r m e a s u r e sc o m b i n e dw i t hx u z h o ur e 酉o ne l e c t r i cn e t w o r k ，c o m p a r e sa n da n a l y s e s t h e t e c h n i c a la n de c o n o m i c a le f f i c i e n c yt od i f f e r e n ts c h e m e s u n f i m a t e l yt h eo p t i m a ls c h e m ei so b t a i n e d o nt h eb a s i so f e s t a b l i s h i n gt h eo p t i m i z a t i o nr e c o n f i g u r a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e lo f d i s t r i b u t i o nn e t w o r k , t h e d i s s e r t a t i o nm a i n l yr e s e a r c h e so nh o wt or e s o l v et h eo p t i m i z a t i o nr e c o n f i g u r a t i o nu s i n gg e n e t i ca l g o r i t h mt o o b t a i nt h eo p t i m u ms t r u c t u r ea f t e rd e c r e a s i n gf a u l tc l l r r e u t f i r s t l y ，a ni m p r o v e m e n tt oe a c hs t e p i ng e n e t i c a l g o r i t h m , s u c ha ss e l e c t i n go p e r a t i o n ，i n t e r l a c eo p e r a t i o n ，v a r i a t i o no p e r a t i o na n dc o n v e r g e n c ec r i t e r i o n ，e t c i s m a d ei nt h i sp a p e l s e c o n d i y ，t h e 仃e m i n go fc o n s t r a i n tc o n d i t i o n sa n dt h ec o n s t i t u t i o no fs u f f i c i e n c yf u n c t i o na r e s t u d i e d , a n db a s i cs t e p sa n df l o wp r o c e s sb l o c kd i a g r a m sa r ep r e s e n t e d f i n a l l yt h em e t h o dm e n t i o n e di s s i m u l a t e da n dv a l i d a t e db yar e a le x a m p l e t h er e s u l to fs i m u l m i o ni n d i c a t e st h ea b o v em e t h o dh a sab e t t e r c o n v e r g e n c ea n dah i g h e re f f i c i e n c y k e yw o r d s ：f a u l tc u r r e n t 。v o l t a g e g r a d i n ga n dd i s t r i c t - d i v i d i n g ，n e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o n ，g e n e t i c a l g o r i t h m n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所知，除 了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得东南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作过的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生签名： 鲁删 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学，中国科学技术信息研究所，国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档， 可以采用影印，缩印或者其他复制手段保存论文本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致除在保密 期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理 研究生签名：弛导师签名：芈 第一章绪论 1 1 课题的研究意义 第一章绪论 随着现代社会国民经济的快速发展及人民生活水平的逐步提高，人们对电力的需求和依赖性不断提 高，促进了我国电力工业迅猛发展，电力成为国家的支柱能源和经济命脉。与其他形式的能量相比，电能 有着可以方便转换成其它形式的能量，便于传输等优点，所以当前社会所需要的大部分能量都是以电能形 式提供的，世界各国电能的消耗占总能量消耗的比重目益增大。电能需求的日益增加，促使发电设备的容 量不断增大，同时也扩大了供电的范围。 地区电网是整个电力系统与用户联系、向用户供应电能和分配电能的重要环节。随着国民经济的快速 稳定发展和人民生活水平的提高，地区电网建设的力度将逐步加大，相应投入的资金也会越来越多。自1 9 9 8 年以来，国家投入巨额资金实施城市电网和农村电网( 简称“两网”) 改造计划，使地区电网得到迅速发展， 各电压等级的高、低压配电网络的供电能力、供电可靠性、网损以及电能质量都得以大大改善，从而使“两 网”发展更好地适应了社会经济发展的要求。随着地区电网规模的不断扩大、联网规划的实施和电网的逐 步加强，系统中短路电流水平逐年增大，目前已成为地区电网规划，运行方面面l i 缶的重要问题。因此合理平 衡地区电网的短路容量是地区电网发展面临的重大挑战之一。 电网短路电流水平包括这样一些因素，如短路电流的周期和非周期分量的数值，恢复电压的上升陡度， 单相接地短路电流和三相短路电流之比以及电网元件间统计短路电流值的分布等。这些因素影响断路器的 开断性能和设备参数的选择。它们与电网的结构、中性点接地的方式和变电所的出线数等有着密切关系。 在地区电网发展的初级阶段，如果系统容量不大，短路电流水平不高，对地区电网发展产生的短路电 流增大问题，一般可以用更换开关设备的办法来解决，因为在这种情况下，变电所的其它开关设备往往是 具有足够的裕度的。例如我国东北电网在上世纪7 0 年代即因短路电流过大而更换了大量2 2 0 k v 断路器。 但是当电力系统容量很大，短路电流水平很高，由于系统互联或容量进一步增大而使短路电流水平继 续提高时，就不能简单的采取更换断路器的办法。这是因为原有变电所不仅要更换断路器而且对其它设备 和出线包括主变压器、断路器、隔离开关、互感器和母线、瓷瓶、架构、基础、接地网等也必须加强和更 换，对通信线路的干扰还要采取屏蔽措施甚至要改为地下通信电缆，像目前我国华东、华中、华南、华北 电网都出现了这个问题。由于各种原因，新增的大容量机组和电厂还在不断接入2 2 0 k v 电网，使现有的 2 2 0 k v 电网的短路电流水平增长过快，大批2 2 0 k v 断路器，甚至整个变电所的设备和设施，在断流容量和 动稳定方面都将满足不了短路水平增大的要求，形成了严重的技术经济问题，限流问题的研究刻不容缓。 另一方面，随着电网之间的联系程度日趋紧密，电网的短路电流水平迅速提高，资料计算表明三峡电 站可能的最大短路电流周期分量将达3 0 0 k a ，而目前国际上生产的g i s 的最大容量只有1 0 0 k a 左右，且国 内尚无此生产能力。因此，电力系统限流问题已成为一个迫切的、大范围的研究课题。 1 2 影响电力系统短路容量的主要因素 确定电力系统的短路电流水平及其配合，需要着重考虑以下几个问题。： ( 1 ) 系统短路电流水平上限值的选择决定了开关设备的开断容量、开关设备及变电所各元件( 母线、 导线、接地网、支持绝缘子等) 的动、热稳定以及对通信线路的干扰和接地网的接触和跨步电压等。短路 电流水平愈高，各种费用愈大。 ( 2 ) 从保持系统稳定运行和足够的抗扰动能力考虑，系统中各枢纽点必须维持一定的短路电流水平。 为保持短路故障后的电力系统稳定性和发电厂的安全稳定运行以及减小电网中大负荷波动对其他用户的 影响，保持系统电压有足够的稳定性是绝对必要的。因此需要从技术上和经济上协调选择一个合理的短路 东南大学硕士学位论文 电流水平。 ( 3 ) 在确定短路电流水平时还需要研究系统结构上的一些问题，系统结构对短路电流水平的影响很 大，如发电厂、变电所在系统中的位置及其接入系统的电压等级。如果发电厂、变电所过于集中或发电厂 出线电压过低，都可能造成系统中某局部地区的短路电流水平过高。 ( 4 ) 由于负荷密度增大，需要增加电网的紧密连接以满足供电的需要，在调度运行方面往往希望闭 环运行以提高供电的安全性和减少线损，结果都导致短路电流大量增加。实践证明，过分的闭环运行对系 统的可靠性可能反而不利，因而必须加以限制，有时甚至必须将电力系统或变电所母线分列或解列以限制 短路电流。 ( 5 ) 为了保证系统继电保护的可靠性和灵敏度，系统各点必须保持一定的短路电流水平。如果系统 或发电厂( 特别是水电厂) 的运行方式和潮流变化很大，则需要专门加以研究。 ( 6 ) 在规划预期的短路电流水平时必须考虑对已有变电所各项设备的影响，包括对自耦变压器承受 短路电流的冲击问题。对现有变电所设备的改造和更换不仅投资大而且由于运行条件的限制，实现起来往 往非常困难。这对规划工作来说是一个很严重的问题。 ( 7 ) 在设计新建变电所，尤其是超高压变电所时，对设备的选择和元件的设计需要按设备更换的难 易、增容改造所需要费用及预期的短路电流水平值进行综合考虑。例如，对较易更换的设备其短路电流水 平可按较近期考虑，而对母线、架构、接地网等则要按较远期的短路电流水平考虑，以节省将来增容改造 的投资。 1 3 我国电力系统的短路电流水平 短路电流水平的高低和电网结构以及该级电压电网在电力系统发展过程中的地位相关。分析短路电流 水平和电网发展的关系可以分成几个阶段来研究“。 第一阶段，即某一级电压的输电线才开始出现，断路器的开断容量及设备的动热稳定一般不成问题， 往往大大超过系统短路电流水平的需要。 第二阶段，即该级电压电网大规模发展为电力系统中的最高电压主电网，同时有一批发电厂直接接到 该级电压电网时，短路电流将不断增长至接近已安装的断路器的额定断流容量。如果接入的电厂容量继续 增加，电网继续密集，在电网中某些部分已装设的断路器的开断容量即有可能满足不了短路电流水平的要 求。 第三阶段，即在电力系统中出现更高一级电压开始至形成更高一级电压主电网，象我国目前很多电网 在2 2 0 k v 电网基础上开始发展5 0 0 k v 电网的情况。在这个阶段中，原有的电压电网仍保持其主网的作用，但 随着高一级电网的发展将逐步转变为配电网。更大容量机组和电厂将直接接至更高一级电压电网，耦合自 耦变压器的容量也将不断增加。在更高一级电压输电网络还未形成前往往与原有电压电网形成高低压电磁 环网运行。在这种情况下原有电压电网的短路电流水平将大量增加。断路器断流容量不足和限制短路电流 的问题将成为迫切需要解决的问题。 第四阶段，即最后发展阶段，原有高压电网已转变为配电网，只连接着地区性电厂和新建大容量电厂 的少数单元机组。这时的该级电压电网，一般已经简化并分割为若干区并尽可能采取辐射状供电方式。不 但简化了继电保护和运行操作，短路电流水平也将随之下降。 总的来看我国几大电力系统目前的短路电流水平一般还不算高。2 2 0 k v 电网的最大短路电流水平8 0 年代末一般约为2 6 k a ( 三相) ，但是在华北，华东系统中有些变电所母线已接近4 0 k a ；5 0 0 k v 电网由于才 开始建设，短路电流水平尚不到2 0 k a ，这是由于我国地区广阔，输电线路长，大电厂距负荷中心远而且 电9 目联系薄弱，大容量电厂直接接入5 0 0 k v 电网的不多；但是在有些工业大城市、负荷集中区、电网联系 紧密地区和大容量电厂出现后的附近地区，短路电流水平增加很快。 2 第一章绪论 近5 年来江苏电网结构有很大的加强，截至2 0 0 4 年底江苏5 0 0k v 变电所从2 0 0 0 年底的8 座增加到1 7 座，变电容量由5 5g v a 增加到1 9 g v a 。5 0 0k v 长江大跨越双通道的建成加强了江苏电网的北电南送：5 0 0 k v 武南一梅里一车坊双线建成投运，形成江南电网西电东送的南通道，至此江苏5 0 0 k v 主网已基本形成 “日”字形双环网网络。 电网的快速发展使得江苏电网的短路电流水平不断提高，而断路器的遮断电流仍为5 0k a ，越限情况 日趋严重。近几年来江苏地区电网2 2 0k v 侧短路电流增长十分迅速，至2 0 0 4 年底全合环方式下均已接近 或超过其额定遮断电流。例如：2 0 0 1 年夏季高峰前，随着5 0 0 k v 石牌变、车坊变等输变电工程的建成投 运，全合环方式下5 0 0 k v 斗山变的2 2 0 k v 母线三相接地短路电流首次超标，为此，常锡问4 条2 2 0 k v 联 络线实施了解环，苏南电网分为宁镇常和苏锡两片运行；2 0 0 3 年，随着武南东亭降压运行线路等输变电 工程的投运，5 0 0k v 斗山变的2 2 0k v 母线三相接地短路电流又一次超过断路器的限值，为此实施了胶山 分排、董浜分排、武南一东亭双线馈供等局部运行方式的调整来限制短路电流；2 0 0 4 年3 月2 5 日，5 0 0k v 张家港变及其配套工程投运后，苏锡问7 回2 2 0k v 线路实搪解环运行，解决了苏、锡2 2 0 k v 电网短路电 流超标的矛盾，同时进一步提高了苏、锡两市电网的供电能力，使得5 0 0 2 2 0 k v 电网的潮流分布更趋合理。 2 0 0 4 年1 2 月3 1 日石牌2 号主变建成投运后，5 0 0 k v 石牌和车坊变的2 2 0 k v 母线三相接地短路电流超标， 苏州电网石牌、车坊间2 2 0 k v 联络线解环运行，标志着江苏地区电网内部分层分区运行的开始瞄j 1 2 j 。 2 0 0 5 年是江苏电网的基建投产年，预计全年新增装机容量约1 4g w ，占现有装机总容量的5 8 4 。 随着大规模电源接入系统，5 0 0 2 2 0 k v 主网的短路电流急剧增加，截止2 0 0 5 年底，江苏电网将有3 个5 0 0 k v 变电站的5 0 0k v 母线和l o 个5 0 0 2 2 0k v 厂站的2 2 0k v 母线三相短路电流陆续超过其额定遮断电流。 表卜12 0 0 5 年江苏电网部分枢纽变全台环方式下短路电流单位： k a 变电站 母线年初年中年底 5 0 0 k v4 995 4 36 3 4 石碑 2 2 0 k v5 7 76 2 26 6 2 5 0 0 k v5 4 25 95 6 6 5 车坊 2 2 0 k v5 3 56 06 3l 5 0 0 k v4 6 85 245 6 7 武南 2 2 0 k v4 9g5 3 65 8 i 5 0 0 k v 4 8 4 4 9 5 2 斗山 2 2 0 k v4 1 74 2 65 0 5 张家港2 2 0 k v4 6 54 84 8 4 梅里2 2 0 k v4 4 15 2 15 3 任庄2 2 0 k v4 3 95 1 65 3 表l 一1 列出了江苏电网部分枢纽变在2 0 0 5 年短路电流的变化情况。面对如此严峻的形势，必须考虑采 取一系列措施来限制系统短路电流，确保电网安全运行。 目前国产少油断路器和s f 6 断路器的断流容量一般均达到3 1 5 k a ( 重合闸循环) ，个别少油断路器和s f 6 断路器可达4 0 k a ，5 0 k a 。国内5 0 0 k v 系统短路水平还不高，选用断流容量为5 0 k a 的开关设备可使用较 长时间。看来2 2 0 k v 系统短路电流水平限制为4 0 k a 。个别最大不超过5 0 k a 以及5 0 0 k v 系统短路电流水 平限制在5 0 k a 以内是比较适当的。 为了限制各级电压电网的短路电流水平，在1 9 8 5 年颁发的城市电力网规划设计指导则( 运行) 中 规定各级电压电网的短路电流水平一般不宣超过下列值： 3 3 0 k v 2 3 0 0 0 m v a ( 4 0 k a ) 2 2 0 k v 1 5 0 0 0 m v a ( 4 0 k a ) 1 1 0 k v 4 0 0 0 1 f v a ( 2 1 k a ) 6 3 k v 2 5 0 0 m v a ( 2 3 k a ) 东南大学硕士学位论文 3 5 k v1 0 0 0 m v a ( 1 7 k 1 ) l o k v 3 0 0 m v a ( 1 7 k a ) 随着电力系统的进一步发展，短路电流将提高到很高的水平，这将给新建变电所的设计和设备选择带 来一系列新的困难。如何加以限制并制造出适应高短路电流水平的设备已成为系统规划、设计、运行部门 和电器制造行业的重要课题。 1 4 本论文的主要工作 随着大型水火电站的建设，系统容量在逐步扩大，以及随着城市负荷密度的不断增长，负荷中心周围 环行供电网的出现，地区电网中的短路电流水平也在不断增长和变化，当它增长到一定水平时，电网内的 各种电器设备，如断路器、变压器、互感器以及变电站的母线、构架、导线等，必须满足由于短路电流水 平带来的更严格的要求。这就产生了短路电流水平的协调和控制问题，因此研究控制电网短路容量的方法 具有很重大的实际意义。 本文探讨了电网短路电流限制的综合措施。从改善电网的网架结构，改变系统运行方式，采用故障电 流限制器、限流电抗器、高阻抗变压器等多方面着手，综合考虑可行的限流措施。其中，着重分析了分层 分区的限流措施。 针对电磁环网引起的短路电流增大问题，结合徐州地区电网的实际情况提出了相应的对策和措施，比 较和分析了不同方案的技术性和经济性，得到较优方案。 本文在进行建立配电网络优化重构数学模型的基础上，重点研究了用遗传算法来解算配网的优化重构 以求达到降低短路电流最佳结构。首先对遗传算法中各个环节进行了改进，如网络的选择操作，交叉操作， 变异操作及收敛准则等。然后对约束条件的处理和适应度函数的构造进行了研究，给出了算法的基本步骤 和流程框图。最后，将上述改进方法应用到算例仿真进行验证，算例结果表明所用方法具有较好的收敛性 和较高的计算效率。 4 第二章电力系统短路电流水平配合 第二章电力系统短路电流水平配合 由于电力系统不断发展，单机和发电厂容量、变电所容量、城市和工业中心的负荷和负荷密度的继续 增长，以及电力系统之间的互联，出现了一个新的突出的问题，即地区电网中的短路电流也不断增长。电 网中各种送变电设备如开关设备、变压器、互感器以及变电所的母线、架构、导线、支持绝缘子和接地网 都必需满足由于短路电流增大所提出的要求。因此产生了短路电流水平的配合问题，即电网中现有送变电 设备和新设计变电所的设备，其技术参数、性能和目前及预期的电力系统短路电流水平配合的问题。它既 是现有系统运行中的实际问题，也是现代电力系统规划和设计的一个重要问题。选择合理的短路电流水平 也是一项重要的技术经济政策问题。 2 1 短路的基本概念 短路是电力系统的严重故障。所谓短路，是指电力系统正常运行情况以外的相与相之间或相与地( 或 中性线) 之间的连接。在正常运行时，除中性点外，相与相或相与地之间是绝缘的。 产生短路的原因很多，主要有如下几个方面1 4 j ： ( 1 ) 电气设备损坏，例如绝缘材料的自然老化，发电机、变压器，电缆等载流部分的绝缘材料在运 行中损坏，设计、安装及维护不良所带来的设备缺陷发展成短路等。 ( 2 ) 气象条件恶化，例如雷击造成的闪络放电或避雷器动作，架空线路由于大风或导线覆冰引起电 杆倒塌等。 ( 3 ) 人为事故，例如运行人员带负荷拉刀闸，线路或设备检修后未拆除接地线就加上电压等。 ( 4 ) 其它，例如挖沟损伤电缆，鸟兽跨接在裸露的载流部分等。 产生短路的原因有客观的，也有主观的。只要加强运行人员的责任心，严格按规章制度办事，就可把 短路故障的发生控制在一个很低的限度内。 在三相系统中，可能发生的短路有三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路。后两种发生 在中性点直接接地或经小阻抗接地的电力系统中。三相短路也称为对称短路，系统各相与正常运行时一样 仍处于对称状态。电力系统的运行经验表明，在各种类型的短路中，单相短路占大多数，两相短路较少， 三相短路的机会最少。三相短路虽然很少发生，但情况较严重，应给以足够的重视。从短路计算方法来看， 一切不对称短路的计算，在采用对称分量法后，都归结为对称短路的计算。因此，对三相短路研究是有其 重要意义的。本文主要针对限制地区电网三相短路电流进行研究。 2 2 短路电流增大的原因 1 电源建设增长迅猛 经济的高速发展带来电力需求以空前速度增长，电源建设向着电厂布局集中化，单机大容量化方向发 展，本来电源布局应以负荷分布而定，避免过分集中，但目前由于一次能源供应和运输的限制、环境保护 要求的提高、电厂用地的困难，因此出现了发电厂发电机组增加、发电厂集中建设成为电站群的现象。此 外，热效率高的大容量发电机组也成为电源开发的主流，均给电厂带来了附近短路电流水平的迅速增长。 2 电网发展，联系紧密 用电需求的快速增长，电源大规模集中建设开发，带来5 0 0 k v 、2 2 0 k v 变电所及输电线路数量急剧膨胀， 电网网架规模增长迅速，电网联系紧密，环网增多。密集的5 0 0 k v 、2 2 0 k v 网络使得电网电气距离缩短，系 统阻抗逐年减小、系统短路电流逐年增大。 5 东南大学硕士学位论文 2 3 短路电流增大引起的问题 短路的特征主要表现为短路电路中的电流急剧增大，系统中各段母线电压均有程度不同的降低。随着 短路类型、发生地点和持续时间的不同，短路的后果可能只破坏局部地区的正常供电，也可能威胁整个系 统的安全运行。短路的危险后果一般有以下的几个方面【4 】： 1 建设费用增加 由于短路电流的增大，断路器、隔离开关、电流互感器等串接设备以及母线等设备为要承受大电流的 冲击而必须选择大容量，而支持这些设备的输电线路也必须大容量。目前系统中使用的断路器的遮断容量 通常为5 0 k a ，一旦超过此值就要更换，造成建设费用的增加。 2 对通信线路的电磁感应危害增加 发生不对称短路时，由于系统短路电流增大，系统单相接地短路电流也随之增大。不平衡电流产生足 够的磁通，在邻近的电路内感应出很大的电动势，这对架设在高压电力线路附近的通信或铁道信号系统， 尤其是平行于电力线路的通讯线路，电磁感应的危害大大增加。 3 铁塔附近的接触电压、跨步电压增大 由于铁塔附近的接触电压和跨步电压与接地电流成正比，增大短路电流将危害人畜生命安全，并引起 恐慌。 4 架空导线温升，线夹过热 由于短路电流的增大，架空导线( 包括地线) 的温度上升，线夹部分过热。 5 故障点的损伤增大 短路电流的增大使架空线路故障点的损伤加剧。绝缘子破损，导线熔断严重，埋地电缆的损伤也变 得严重，除了修复时间长外，还会波及其它地下埋设的设施。 6 增加对主变压器的损害 馈线短路电磁力对变压器的损害有积累效应，短路电流大幅度增大以后，近区短路的变压器可能潜 伏着损坏隐患。 2 4 限制短路电流的措施分析 短路电流水平的高低和电网的结构以及该级电压电网在电力系统发展过程中的地位有关。目前我国各 大电网限制短路电流通常采用分层分区、直流联网和母线分段运行等从结构、系统运行方式上采取措施或 在线路中装设故障限流器限制短路电流，对于单相接地短路电流一般采用变压器中性点经电阻或电抗接地 的方法降低。 限制电网短路电流主要是优化网络结构和提高电网设备容量两个方面，采取以下的具体做法： 2 4 1 电网分层分区运行 分层是指按电网传输能力的大小将电力系统的电压等级划分为由上而下的若干结构层次；电网分区是 指以受端系统为核一l l , 将供应电力和电能的远方电厂联系在一起，形成一个供需基本平衡的区域，并经过联 络线与相邻系统相联“。 分层分区原则是在电力系统发展过程中逐渐形成的。一方面，大规模电力系统可以合理开发和利用能 源，节省投资和运行费用，增加系统备用容量，减少事故损失，在一定程度上提高了供电可靠性，因此电 力系统互联成为目前的必然趋势。另一方面，大规模电网也有不利因素，如增加了系统短路容量，电网的 局部故障容易波及至其它地区，甚至可能引起大范围停电事故等等。为解决这些问题，电网通常在高一级 电网发展到一定规模时将低一级电网分区域解开，也即进行分层分区随着我国经济的持续快速发展，电 6 第二章电力系统短路电流水平配合 力负荷将迅速增加，电网的电源和输电线路的建设以及大区间电网互联也因此不断增强。这种变化所带来 的问题是5 0 0 k v 和2 2 0 k v 电网接线趋于复杂，不同电压等级间的电磁环网增多，系统短路容量逐渐上升， 从而增加了系统的事故隐患，降低了电网的安全稳定水平。 合理的电网结构是电力系统安全、稳定、经济运行的基础，电网分层分区运行是形成合理电网结构的 原则之一。 i 分层分区的目的 分层分区是在电力系统发展过程中逐渐形成的，发展电力系统是电力工业的客观规律，也是发展国民 经济的重要保证。用电需求的增长必定促使电力系统的规模日益扩大，这就促使了电力系统向大系统互连。 一方面，大电力系统具有明显的优越性，如可以合理开发和利用能源、节省投资与运费，提高经济效益， 减少事故和检修各用容量：另一方面，大系统也带来潜在的威胁，如局部电网的个别问题将波及临近地区， 可能诱发恶性连锁反应，造成大面积停电事故，高低压电磁环网容易引发系统稳定破坏事故等。同时，由 于系统中单机容量和发电厂容量、变电所容量，负荷及负荷密度的持续增长，高压网内部的连接日益紧密， 使得各电压等级电网中短路电流不断增加，各类送变电设备如开关设备、变压器及互感器、变电所的母线、 架构、导线、支持瓷瓶和接地网都必须满足短路电流的要求。当短路电流水平超过了电网中现有变电所设 备可以承受的能力时，就必须采取措施限制短路电流。对于区域性的短路电流升高问题，如果采用更换断 路器等设备的方法，不仅工程量庞大，需要投入大量资金，而且运行方式实施困难很大，经济和技术方面 均不可取。而从电网结构和电网运行角度来分析处理，比简单采取更换大容量新断路器的手段更为科学合 理。当高一级电压电网发展到一定程度时，将低一级电压电网按供电区解列分片运行以降低短路容量，即 进行分层分区，便是行之有效的措旖之一”1 。 i i 分层分区的原则 1 按电压等级分好层次“ 分层原则是按网络电压等级，即网络的传输能力大小，将电网划分为由上至下的若干结构层次；按能 源、电源与负荷需求划好区域；按电厂和负荷的容量接入相适应的电压等级，大电厂大负荷接入高级电 压：按电力供应划分区域，力求分区平衡，各区之间用联络线联络，提供电力、电量或事故支援。电源和 负荷的平衡要在不同电压等级的电网中实现，在每个区内应有一定容量的电厂。为了合理地充分发挥各级 电压网络的传输效益，电压等级一般以4 级为宜，有利于电源尽快直接供给负荷，避免多次升压、降压以 及迂回送电造成的不必要损耗。多次升降压的变电容量重复，增加设备投资。 2 受端系统的建设“1 分区的原则是外来电源送电给受端系统，不应在经受端系统转送。当受端系统电源已足够多，新的负 荷中心形成，且需要大电源时，则应尽早建成新的受端系统，并与原来的受端系统互联，互补电力余缺和 事故支援。不同时期的分层分区各不相同。低压主干网络形成的受端系统，在高压主干网络形成受端系统 后就应该改造简化，重新分层分区。高压主干受端系统在后期又应分区成为两三个受端系统互联的格局。 3 分区划分的依据“” 以一个或若干个5 0 0 k v 变电站作为主要供电电源，经一个或多个2 2 0 k v 枢纽变，配合本地区内部的大容 量发电厂，将2 2 0 k v 电网划分为若干个相对独立的供电分区。供电分区的划分应以电网结构、潮流分布以 及短路容量标准为主要依据，并尽量兼顾各地区供电公司的供电范围。 4 分区后的安全措施 1 ) 分区内枢纽变电站的安全性。在5 0 0 k v 2 2 0 k v 电网分层分区运行方式下，5 0 0 k v 2 2 0 k v 变电站的两级母 线成为整个2 2 0 k v 分区电网的核心，也是整个分区电网中最关键而又最为薄弱的环节，必须予以高度 重视和重点加强，确保任何母线故障都不至于引起2 2 0 k v 分区电网的孤立运行。通过加强核心变电站 主接线的可靠性，来提高整个分区电网的运行安全性。 2 ) 2 2 0 k v 电网采取分区供电方案以后，仍应使5 0 0 k v 电网具有足够的安全稳定性和供电可靠性，保证主要 7 东南大学硕士学位论文 输电通道与系统的电气联系和稳定输送限额：保证作为主要供电中心的5 0 0 k v 变电站主变、2 2 0 k v 枢纽 变出线、其它2 2 0 k v 线路及电源在n - - l 情况下不出现其它线路或主变过载情况。 3 )2 2 0 k v 电网采取分区供电方案以后，各供电分区内的任意单一设备包括主变、线路、母线三相故障、 大机组失磁、同塔双回路线路异名相故障，系统仍能保持功角稳定性和电压稳定性：各供电分区应具 有电压、无功调节能力，包括研究电容器和电抗器的合理配置、机组励磁系统、变压器分接头的调节 等，保证供电分区内的母线具有合格的电压水平；各供电分区应具备一定容量的发电机组，以提高动 态电压无功支撑能力，并满足整个电网的调峰和旋转备用要求。 4 ) 当受端系统电源已足够多，新的负荷中心形成，且需要大电源时，则应尽早建成新的受端系统，并与 原来的受端系统互联，互补电力余缺和事故支援。 5 )应考虑各供电分区安全自动装置的配合问题。在电网需要的情况下，采用各自投、低频低压减载以及 低频保厂用电等安全自动装置，以提高电网的供电可靠性及运行设备的安全。 6 )应尽量考虑下级电网运行方式调整的安全性。 5 实施时间安排 电网分层分区供电方案应根据电网的规划和建设情况，经分析研究，按轻重缓急，逐步实施。由于电 网是不断发展的，往往近期的需要与远景目标存在一定矛盾，应当在解决电网近期存在问题加强网架结构 的同时，结合中、远期目标网架，做到统筹安排，合理布局。 i i i 分层分区限制短路电流的特点 1 网络层次清晰，便于调度操作和事故处理 电网分层分区后，网络层次清晰，有利于充分发挥有功与频率控制，无功和电压控制，安全稳定等技 术措施，以及正常生产的监控和指挥系统的各种功能，因此很多事故可以被限制在各个分区内，而发生全 网故障的几率也相应减小，从而防止大电网的安全稳定性受到破坏；同时由于分区内故障对临近分区的影 响不大，因此便于事故后的调度控制和正常情况下的操作和潮流控制，从而提高可系统的稳定水平。 2 分层分区后取消高低压之间的电磁环网运行，线路输送容量得到充分发挥 例如广东电力系统以5 0 0 k v 变电站为中心，解列点多数为各市电网之间的联络线和一些大的地级市电 网内部联络线。从2 0 0 5 年、2 0 1 0 年和2 0 1 5 年2 2 0k v 网络解环后短路电流计算结果表明，2 2 0 k v 网络 解环运行对5 0 0 k v 侧母线短路电流影响不大，但对限制2 2 0 k v 侧母线短路电流效果显著，可以明显降低 2 2 0 k v 侧母线短路电流水平。采取解环措施后，2 0 0 5 年2 2 0 k v 电网短路电流超过5 0 k a 的节点只有增城站 一个，其余厂站短路电流水平均在4 5 k a 以下。2 0 0 5 年采用该措施后计算结果见表2 1 圈【9 】： 表2 i2 0 0 5 年广东电网采限制短路电流措施后短路电流计算结果 原始网络2 2 0 k v 网络解环运行 新建电厂采用高阻抗升 综合措施 母线名 压变压器 5 0 0 k v2 2 0 k v5 0 0 k v2 2 0 k v 5 0 0 k v2 2 0 k v5 0 0 k v2 2 0 k v 厶3 l3 h矗3 厶厶3 h厶3 厶矗 3 厶 厶3 h 厶3 增城 4 3 94 355 6 3“5 4 2 6 4 2 84 6 95 6 14 2 44 2 74 6 75 6 04 2 44 264 6 74 2 6 江门 3 3 3 5 0 4 876 0 4 3 l 石3 35 3 1 64 1 83 1 1”03 1 34 1 53 ll3 3 m3 i j4 i 5 罗洞 3 s23 5 04 865 9 63 3 63 383 8 94 9 43 3 43 3 73 8 84 9 33 343 3 63 533 87 深挪i 3 253 255 l25 争33 0 83 i o2 0 m3 6 53 0 73 i22 7 93 6 53 0 73 1 22 7 93 6 5 梅林坳 2 9 02 4 75 055 9 42 8 42 4 43 0 ，l3 8 02 8 32 4 33 0 l3 3 22 83“33 0 13 s 2 广南 2 0 11 775 0 85 4 l1 9 81 7 43 874 2 8l 争71 733 8 64 281 9 7i 7 33 864 27 惠州3 4 7m 04 3 i4 9 83 3 23 3 13 l i3 9 03 2 j3 2 33 0 3 5 83 2 73 233 0 93 88 南浦 4 5 74 5 03 0 l2 753 0 i2 7 j3 0 l2 7 4 a 厂 中山2 4 62 4 04 0 8“52 4 22 3 西2 7 23 l52 372 2 92 7 13 l j2 372 2 92 7 l3 13 北郊 3 7 43 7 o2 994 0 73 6 53 6 32 9 74 0 ，63 矗33 矗22 974 0 53 6 33 6 22 9 j4 0 5 s 第二章电力系统短路电流水平配合 注：采用高阻抗升压变压器的新建电厂为：珠海电厂，台山电厂、汕尾电厂和惠州燃气电厂。 综合措施指同时采用2 2 0k v 网络解列，新建电厂采用高阻抗升压变压器和部分5 0 0k v 变电站加装1 0o 小电抗三种措 旌。 ：三相短路电流；3i n ：单相接地短路电流。 3 提高用电可靠性 输电线路采用高一级电压后，输送能力增强了，电力系统稳定性得到改善，从而系统可靠性也得到了 相应的提高。例如在1 9 9 4 年上海分层分区后，上海浦东新区和部分市区由颞建的2 条5 0 0 k v 线路供电， 因此大大降低了浦东新区大面积停电的可能性1 6 j 。 4 降低低电压等级的短路容量 例如：上海南北分区运行后，各厂站2 2 0 k v 母线短路容量显著下降，特别是位于开环两侧的阂行电厂 和西郊变电站，下降幅度位居前列，宝钢变的短路容量也降至铭牌以内，如表2 - 2 所示【刀 表2 2 主要厂站分区运行前后的短路容量单位：m v a 厂站名开关容量合环运行开环运行 降低值 宝钢1 2 0 0 01 2 3 3 81 1 4 1 0 9 2 8 西郊1 9 0 0 01 6 4 0 91 3 1 8 83 2 2 1 闸北1 2 0 0 0 1 1 1 4 61 0 2 6 28 8 4 闵行1 2 0 0 01 7 1 4 21 4 7 0 2 3 0 7 0 8 5 3 i ( 北)2 7 9 2 ( 北) 古北1 5 o 1 1 3 2 3 3 1 1 5 ( 南)8 2 8 5 ( 南) 8 6 3 4 ( 北)2 8 4 2 ( 北) 泸定1 5 o1 1 4 7 6 3 1 1 5 ( 南)8 3 6 2 ( 南) 分层分区是限制短路电流的最根本、最有效的方法。若单纯为了限制短路电流而采用高一级的电压， 在设备费用上必然不如加装电抗器便宜。然而，为了提高系统的稳定性，使送电容量大幅度增加，以适应 系统的发展，应采用此法作为限制短路电流与提高系统稳定的措施。 5 减少枢纽变电站和电厂母线分段运行，提高其安全性和可靠性 分层分区前，部分枢纽变电所和电厂为降低短路容量被迫母线分段运行；在分层分区后，枢纽变电站 和电厂母线的短路容量得到显著下降，可停止原有的母线分段运行方式恢复正常运行，从而提高了枢纽变 电站和电厂的安全性和可靠性。 电网分层分区解环分析 电嗣分层分区运行，首先要解开环网。环网，是在电网运行过程中形成闭合回路的一种电网结构。高 低压电磁环网，是指两组不同电压等级运行的线路，通过两端变压器磁回路的联接而并联运行。 电力系统安全稳定导则中明确指出“随着高一级电压电网的建设，下级电压电网应逐步实现分层 分区，相邻分区之间保持互为备用。应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”。电 力系统技术导则中明确指出“规划设计的电网，包括受端系统、电源的接入、联络线等，应从全面着眼、 统筹考虑、合理布局，贯彻“分层分区”原则，逐步形成以加强受端系统为主的区域电网。主力电厂一般 应直接接入相应等级的电压电网，远方大容量电厂一般宜直接接入受端系统。在出现高一级电压电网的过 渡期间，若在同一路径建设较低一级电压线路时，应考虑与下一步发展相结合。” 环网开环运行，是限制短路容量的重要手段。合环运行时，因综合阻抗小，短路容量比较大。系统中 母线电源出线越多，短路容量越大，这些母线的故障往往越容易引起电力系统大的停电事故。例如：2 0 0 6 年江苏沿江大通道投产后，华东5 0 0 k v 主环网江苏段形成了“田”字型结构，并且许多大机组直接接入华东 9 东南大学硕士学位论文 5 0 0k v 主环网，导致苏南地区5 0 0 k g 短路容量飙升。通过打开“田”字型结构，即拉停武南一武北双线，5 0 0 k v 武南变、武北变和斗山变的短路电流可分别下降近l o k a 、1 5 k a 和3 k a 。可见。理清5 0 0 k v 主环网结构，打开主 环网中“田”字型或“日”字型网络，对于降低主环网短路容量的效果非常明显。 在高一级电压电网发展的初期，高低压电磁环网所通过的潮流不大，环网运行可以提高电网供电的可 靠性、灵活性。如果当两个系统问无其它5 0 0 k v 线路联系时，打开电磁环网运行，则意味着5 0 0 k v 故障 跳闸后，两系统解列。若电磁环网开断运行，出现局部元件如线路或变压器过载等问题，说明尚未具备分 层分区的基本条件，所以在电网发展过程中电磁环网运行方式有其存在的合理性【1 2 】。 而对于5 0 0 k v 线路发展较为成熟的系统，l 条5 0 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