（电力系统及其自动化专业论文）大电网短路电流限制措施研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ee x p a n s i o no fp o w e rs y s t e m ，s h o r t - c i r c u i tc u r r e n ti si n c r e a s e dy e a rb yy e a r , w h i c hh a s b e c o m eas e r i o u sp r o b l e mf o rt h ep l a n n i n ga n do p e r a t i o no fp o w e rs y s t e m b e s i d e s ，ah e a t h i e r p o w e rm a r k e tw i l ls e th i g h e rs t a n d a r d sf o rt r a n s m i s s i o nc a p a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fp o w e rg i r d t h e r e f o r e ，t oe f f e c t i v e l yc o n t r o lt h el e v e lo fs h o r t - c i r c u i tc u r r e n ta n df i n dr e a s o n a b l ea n de c o - n o m i c a ll i m i t a t i o nm e t h o d si so n eo f t h eb i gc h a l l e n g e ss t a n d i n go nt h ew a yo fp o w e rs y s t e md e v e l o p m e n t a i m i n gt oe f f e c t i v e l yc o n t r o lt h es h o r t - c i r c u i tc u r r e n tl e v e lf o rt h ew h o l ep o w e rn e t w o r k , a m a t h e m a t i c a lm o d e li sb u i l tt of i n dl i m i t a t i o ns o l u t i o nw i t hl o w e s ti n v e s t m e n t , t a k i n gs e v e r a ld i f - f e r e n tm e t h o d si n t oc o n s i d e r a t i o na n du s i n gg e n e t i ca l g o r i t h mt os e a r c hf o rt h eg l o b a lo p t i m a l s o l u t i o n t e s 乜o nt h e18 - b u ss y s t e ms h o wt h a tt h em o d e li se f f e c t i v ea n dr e a s o n a b l e b a s e do nt h ec h a r a c t e r so ff r a m e w o r ka n do p e r a t i o ni nt h ep l a n n i n gn e t w o r ko fn i n g x i a 弘悄 i n c ef r o m2 0 0 8t o2 0 2 0 ，b o t ho ft h ei n c r e a s i n gt r e n da n dd e e p - r o o t e dc a u s e sf o rs h o r t - c i r c u i tc u r - r e n ta r ea n a l y z e d ；t a k i n gt h ec o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n to f7 5 0 k ve l e c u i c a ln e t w o r ki n n i n g x i ap r o v i n c ea sb a c k g r o u n d ，t h e s i sr e s e a r c h e st h em e a s u r e sw h i c hc a nl i m i ts h o r tc i r c u i tc u r - r e n t s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t oa d o p th i g hi m p e d a n c et r a n s f o r m e rc a nb r i n gn o t a b l ed e - c r e a s eo fs h o r t - c i r c u i tc u r r e n ta tt h ea d j a c e n ta r e ao ft h e7 5 0 k vs u b s t a t i o n ；d i s p a t c h i n gb yl e v e l s a n dd i s t r i c t sw i l lb et h eb e s tm e t h o dt oc o n t r o ls h o r t - c i r c u i tc u r r e n tg l o b a l l ya st h e7 5 0 k vp o w e r n e t w o r kb e c o m e sr o b u s t ；t oi m p r o v et h ei n t e r r u p t i n gc a p a c i t yf o rs o m eb r e a k e r sw h i c ha r et o o l o wa n db e c o m et h eb o t t l e n e c kf o rp o w e rs y s t e md e v e l o p m e n ti sn e c e s s a r y ；l i n e - c u r i n gc a nb ea t e m p o r a r ym e a s u r e ；f o r2 0 2 0 - y e a rg i r d ，i n s t a l l a t i o no fs e r i e sr e c t o ri su s e f u lt or e d u c es h o r t - c i r c u i t c u r r e n ta sal o c a ll i m i t a t i o nm o t h o d f r o mt h ea n g l eo fm e a s u r e s g l o b a le f f e c t i v e n e s s ，c o n t i n u i t y , l i m i t a t i o ns o l u t i o nf r o m2 0 0 8t o 2 0 2 0 黜p u tu p , w i t hr e c o n s t r u c t i o nn e t w o r kb e i n gt h ef i r s tc h o i c ea n dc h a n g et r a n s f o r m a t i o n d e v i c e sb e i n gt h es e c o n dc h o i c e s o l u t i o nia i m st or e d u c es h o r tc i r c u i tc u r r e n t , a n ds o l u t i o ni i c a nn o to n l yr e a l i z es h o r tc i r c u i tc u r r e n tc o n t r o l ，b u ta l s oi m p r o v et h ec a p a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m t oo p e r a t ei nt h ec o n d i t i o no fl a r g e rs h o r tc i r c u i tc u r r e n t t h e i rv a l i d i t yi sp r o v e db yc a l c u l a t i o n k e y w o r d s ：p o w e rs y s t e m ；s h o r t - c i r c u i tc u r r e n t ；s h o r t - c i r c u i tc u r r e n tl i m i t a t i o nm e t h o d ；g e n e t i c a l g o r i t h m ；l i m i t a t i o ns o l u t i o n ；e c o n o m y 浙江人学硕士学位论文 第一章绪论 本章介绍了课题产生的背景和研究意义，指出从全局优化的角度协调和控 制短路电流水平、寻找经济有效的短路电流限制措施，是电网发展面临的重大 挑战之一；综述了短路的定义和原因、短路电流的后果及其过大而产生的危害、 目前国内外采用的主要限流措施；最后介绍了本文的主要内容以及所作的主要 工作。 1 1 课题背景和研究意义 中国的电力工业从1 8 8 2 年至1 9 4 9 年，经过6 7 年装机容量只达到1 8 5 g w ；而 在1 9 4 9 年新中国成立之后的半个世纪中，中国的电力工业取得了迅速的发展， 平均每年以l o 9 上的速度在增长【i l 。截至2 0 0 7 年，我国电力装机容量达n 7 1 3 亿千瓦，居世界第二位1 2 j 。 中国电力工业正由传统的垂直一体化垄断结构向竞争性市场结构转变，电 力市场正在发育之中。但是目前电网结构薄弱，特高压电网建设刚刚起步，电 网安全性差，可靠性低，自动化水平不高，调峰容量不足，损耗大，供电质量 差，远远不能适应2 l 世纪信息时代对电力供应的数量和质量的要求。 进入2 1 世纪后，我国电力仍将以较高的速度和更大的规模发展，电源和电 网建设的任务仍很重，同时，电力的发展还要合乎可持续发展战略，并受到环 境的严重制约；还将接受全球范围内电力体制改革和技术创新能力的挑战，使 之在技术上、管理上适应电力市场化体制和竞争需要；此外，将迎接全球和地 区经济一体化挑战，使电网互联范围不断扩大【l 】。 预计n 2 0 2 0 年，中国电力装机容量将突破1 2 亿千瓦，全社会用电量将超过6 万亿千瓦时1 3 1 。根据国家电网特高压骨干网架总体规划，到2 0 2 0 年，我国将形成 以构建华中华北坚强的同步电网为核心，以晋、陕、蒙、宁煤电基地和西南水 电开发为契机，在华北、华中和华东建成坚强的百万伏交流特高压网架，形成 覆盖大电源基地和负荷中心的特高压电网【4 1 。 展望未来，我国电网致力发展成为全国性、区域性，甚至跨国性的电网。 加快发展电网和扩大联网，这是电力工业发展规律所决定的，是实现电力可持 浙江大学硕士学位论文 加快发展电网和扩大联网，这是电力工业发展规律所决定的，是实现电力可持 续发展和实现国家可持续发展战略的需要。只有发展电网才能开发西部水电、 北部煤炭基地的火电，以及加快东部大型核电基地的建设，为这些大型电站的 开发提供广阔的市场；只有发展电网才能为新能源、分散的能源开发提供连续 供电的条件，并且有利于提高电力系统本身的效益，使电力发展走上集约化发 展的道路。联网不仅本身可带来系列效益，如互为备用效益、错峰效益等， 而且也能够提高电力系统供电可靠性，带来巨大的社会经济效益。 随着电力系统规模的不断扩大、联网规划的实施和电网的逐步加强，电力 系统中短路电流水平逐年增大，电网中的各种电器设备必须满足由于高短路电 流水平带来的更严格的要求，目前已成为电力系统规划、运行方面面临的重要 问题。另一方面，电力市场化的不断推进，对主网架的电力输送能力和可靠性 提出了更高的要求。 短路电流计算和分析的目的是评价电网短路水平，从整体上校核系统结构 和接线及系统短路电流水平、为断路器遮断容量选择提供依据的计算数据。而 各种短路电流限制措施有不同的适用范围、限流效果和经济投资，对电力系统 运行的影响也有所不同。因此合理平衡电网的短路容量和输电容量的资源，从 全局优化的角度协调和控制短路电流水平，寻找经济有效的短路电流限制措施， 是电网发展面临的重大挑战之一。 1 2 短路电流研究概述 1 2 1 短路的定义和原因 短路，是指一切不正常的相与相之间或者相与地( 相对于中性点接地的系 统) 发生通路的情况。短路是电力系统的严重故障。在三相系统，可能发生的 短路有：三相短路、两相短路、两相短路接地和单相接地短路1 5 j 。 产生短路的原因主要有如下几个方面【4 1 ：( 1 ) 元件损坏，例如绝缘材料的自然 老化，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 ) 违规操作，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。 2 浙江大学硕士学位论文 在电力系统的实际运行中，单相短路故障占全部短路故障的最大百分率， 其次是两相接地和两相短路故障，出线三相短路故障的几率是很少的，但最为 严重。因此往往用三相短路来效验电气设备的能力1 6 1 。 1 2 2 影响短路电流的因素 影响短路电流的因素主要有以下几点：( 1 ) 电源布局及其地理位置，特别是 大容量发电厂及发电厂群距受端系统或负荷中心的电气距离；( 2 ) 发电厂的规模、 单机容量、接入系统电压等级及主接线方式；( 3 ) 电力网结构( 特别是主网架) 的紧密程度及不同电压电力网的耦合程度；( 4 ) 接至枢纽变电所的发电和变电所 容量，其中性点接地数量和方式对单相短路电流水平影响很大；( 5 ) 电力系统间 的互联方式。 1 2 3 短路的后果 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 下几个方面【5 1 ： ( 1 ) 短路故障使短路点附近的支路中出现比正常值大许多倍的电流，由于短 路电流的电动力效应，导体间将产生很大的机械应力，可能使导体和它们的支 架遭受破坏。 ( 2 ) 短路电流使设备发热增加，短路持续时间较长时，设备可能过热以致损 坏。 ( 3 ) 短路时系统电压大幅度下降，对用户影响很大。系统中最主要的电力负 荷是异步电动机，它的电磁转矩同端电压的平方成正比，电压下降时，电动机 的电磁转矩显著减小，转速随之下降。当电压大幅度下降时，电动机甚至可能 停转，造成产品损废，设备损坏等严重后果。 ( 4 ) 当短路发生地点离电源不远而持续时间又较长时，并列运行的发电厂可 能失去同步，破坏系统稳定，造成大片地区停电。这是短路故障最严重的后果。 ( 5 ) 发生不对称短路时，不平衡电流能产生足够的磁通在邻近的电路内感应 出很大的电动势，这对于架设在高压电力线路附近的通讯线路或铁道讯号系统 等会产生严重的影响。 浙江大学硕士学位论文 电网短路电流的增加对电网的安全运行与管理是一把双刃剑7 】。一方面，短 路电流的增加可提高系统的暂态稳定性，使稳定分析与控制更加直观、简单， 同时可大大改善系统的电压特性，为系统实施逆调压创造有利条件；另一方面， 短路电流的不断增加会对电网的安全运行构成威胁，首先可能使断路器的开断 能力不足而不能有效切除故障，导致故障扩大，危及整个系统的安全运行；其 次是为了满足线路的热动稳定要求，迫使电力系统选用重型电器，使电网建设 的经济性明显下降；再次是发生接地故障时由于注入大地的电流过大而产生强 大的地电位反击，使接地点附近的变电站安全甚至人身安全受到严重威胁。因 此需要采取一系列长远的、全局的短路电流限制措施。 1 3 短路电流的限制措施综述 目前，国内外电力系统主要从电网结构、运行方式和限流设备三方面着手 限制短路电流。采取的限制短路电流措施主要有6 】： ( 1 ) 提升电压等级，下一级电网分层分区运行 将原电压等级的网络分成若干区，辐射形接入更高一级的电网，大容量电 厂直接接入更高一级的电网中，原有电压等级电网的短路电流将随之降低。例 如，在5 0 0 k v 电网发展的基础上，进行2 2 0 k v 电网分层分区运行是限制短路电 流最直接有效的方法。 ( 2 ) 变电所采用母线分段运行 打开母线分段开关，使母线分列运行，可以增大系统阻抗，有效降低短路 电流水平。该措施实施方便，但将削弱系统的电气联系，降低系统安全裕度和 运行灵活性，同时有可能引起母线负荷分配不均衡。 ( 3 ) 加装变压器中性点小电抗接地 加装的中性点小电抗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。在变压器中性点加装小电抗施工便利，投 资较小，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。但 中性点小电抗仅对降低电网局部区域单相短路电流的作用较大。 ( 4 ) 采用高阻抗变压器和发电机 加大发电机阻抗会增大正常情况下发电机自身的相角差，对系统静态稳定 不利；漏磁增加，故障初期过渡电阻增加，与此同时因转动惯量减小更进一步 4 浙江大学硕士学位论文 使动态稳定性下降。采用高阻抗的变压器会增加无功损耗和电压降落。因此在 选择是否采用高阻抗变压器和发电机的时候，需要综合考虑系统的短路电流、 稳定和经济等多个方面。 ( 5 ) 采用串联电抗器 采用串联电抗器占地不大、投资合理，国外应用的运行情况良好，但使正 常方式系统阻抗的增加( 即网损的增加) 又是不利的。另外，目前国际上研究开发 了可控串联电抗器技术，使其正常时阻抗为零，仅在短路电流流过限制装置时 串入，以限制短路电流，这就对系统的网损和稳定性不会产生较大影响，但费 用较高，目前尚未见到应用于超高压系统中的实例。 ( 6 ) 采用直流背靠背技术 短路电流含无功电流分量，而直流输电只输送有功功率不输送无功功率。 对已有的交流系统，若通过直流系统将交流系统适当分片，即选择在同一地点 装设整流、逆变装置，将两套装置连接起来而不需架设直流输电线路，可以很 好限制短路电流水平。不过，此方法的缺陷是换流装置设备费用较高。 ( 7 ) 提高断路器的遮断容量 随着短路电流水平的提高而提高断路器的遮断容量，也不失为一种解决办 法。但是提高断路器的遮断容量，设备的造价高，同时需要对相关变电设备进 行改造，总投入资金较大，工期较长。 ( 8 ) 综合措施 基于电网实际情况的研究，将上述的各种限制短路电流水平的措施进行筛 选和组合，以期达到最优的效果。 1 4 本文的主要工作 本硕士论文的主题是通过分析限制短路电流主要措施的原理和特点，研究 经济有效的限制全网短路电流的方法；并针对宁夏电网规划，找出降低2 0 0 8 至 2 0 2 0 年宁夏电网短路电流水平的方案，计算结果验证了该方案的有效性和合理 性。本文所做的主要工作如下： ( 1 ) 深入研究了国内外主要采用的限制短路电流措施的特点和原理，包括分 层分区、加装限流装置、母线分列运行、采用高阻抗变压器以及直流背靠背技 术，并对各自的优缺点、适用情况和工程应用实例进行了详细的讨论。 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 进行综合限流方案的经济性研究，在综合考虑多种限流措施的基础上， 针对电网全网，建立数学模型寻找成本最优的综合限流方案，利用遗传算法求 解，实例计算的结果证明了该方法的有效性和合理性。 ( 3 ) 在研究宁夏电网现状和发展规划的基础上，对2 0 0 8 至2 0 2 0 年宁夏电网 规划网架进行短路电流计算，研究短路电流增大的趋势和原因，找出电网短路 电流的薄弱环节。 ( 4 ) 基于各种限流措施的原理和特点，针对2 0 0 8 至2 0 2 0 年宁夏电网规划网 架，提出了适用的短路电流限流措施，包括电网分层分区运行、采用高阻抗变 压器、加装限流电抗器、更换开关、开断线路，并分析措施的限流效果及其对 电网的影响；基于措施实施的连续性和一致性，提出宁夏电网综合限流方案； 计算结果表明，所提出的限流方案能够有效控制低宁夏电网全网短路电流水平， 为电网规划方案的合理制定提供参考性建议，对保证电网的安全稳定运行具有 非常重要的意义。 6 浙江大学硕士学位论文 第二章短路电流限制措施研究 国内外电网在发展的过程中，存在短路水平逐年上升的问题，为适应系统 的发展，国内外研究实施了多种限制短路电流的方法，使得电网短路电流得到 有效限制。 本章详细讨论了分层分区，加装限流装置、包括变压器中性点接小电抗接 地、串联电抗器和故障限流器，母线分列运行，采用高阻抗设备以及采用直流 背靠背技术限制短路电流的原理，并对相应的适用范围、优缺点和工程应用实 例进行了深入分析。 2 1 分层分区 2 1 1 分层分区的基本原理 1 分层分区的概念 电网分层是指电网的电压等级，即按网路传输能力的大小将电力系统划分 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心将供应电力和电 能的电厂联系在一起，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【1 7 1 。因此分层分区是指按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若干区域，为区域内电力负荷安排合适的电力供应， 形成基本的供需平衡。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。 2 分层分区的原因 分层分区原则是在电力系统发展过程中逐渐形成的【1 8 1 。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发展。一方面， 大电力系统具有明显的优越性，如可以合理开发与利甩能源、节省投资与运行 费用，提高经济效益，减少事故和检修备用容量：另一方面，大系统也带来了 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， 7 浙江大学硕士学位论文 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渐紧密，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 瓷瓶和接地网都必需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，或改造变电所 设备。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；而从网络结构和电网运行角度来分析处理，比简单采取更换 大容量断路器的手段可能更为科学合理。 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解开高低压电 磁环网结构，并将低一级电网分区域运行，也即进行分层分区。分层分区运行 是电网发展的必然趋势【1 9 1 。 3 分层分区的原则 按电压等级分好层次；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一级电压；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。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改造简化，重新分层分区。 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，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 迂回送电造成不必要的损耗。多次升降压的变电容量重复，增加设备投资；分 区的原则是外来电源送电给受端系统，不应再经受端系统转送。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。 2 1 2 分层分区的特点 1 分层分区的优点 稳定易于控制。在开环网络中发生干扰，往往切除故障元件，再辅以有效 8 浙江大学硕士学位论文 的事故处理手段，即可平息事态发展。在环网中如果发生故障，不少情况下切 除故障元件后，将引起功率转移，使非故障元件通过的功率越限而导致稳定破 坏。 潮流控制方便。开环运行时，调整送端电源的有功或功角和无功或电压即 能达到调整潮流的目的。合环时，潮流在环网内自然分布，控制困难，易发生 部分环网元件通过的功率满载甚至过载，而部分元件闲置的现象。 限制短路容量。环网开环运行，是限制短路容量的重要手段。合环运行， 因综合阻抗往往较小，短路容量较大。短路容量大的母线，是那些出线较多， 并且电源出线集中的母线。这些母线发生故障，往往是引发电力系统大事故的 元凶。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，在建设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。 简化继电保护和安全自动装置。环网的继电保护和稳定措施配置比非环网 要复杂得多，配合的难度较大。保护和安全自动装置的复杂化和不配合，一般 是事故的直接或扩大原因。 在某些环网中，因为开环运行不存在环流问题，可能输电损失比合环运行 时要小，从而可提高输电效率，有更好的经济性。 2 分层分区的缺点 而分层分区是在电力系统发展过程中逐渐形成的，只有当高一级电压电网 发展到一定程度时，才能将低一级电压电网按供电区解列分片运行。但我国 5 0 0 k v 网架在大部分电网中尚未真正形成，特高压电网建设刚刚起步，很多地区 分层分区运行的条件并不完全成熟，必须合理分析电网解环、分区的方式、步 骤和地点，以保证电网的安全稳定运行和投资的经济性。 另一方面，实行电网分区运行后，断开了各片电网之间的联系，使电网结 构减弱，引起潮流分布改变，导致供电可靠性明显降低，使局部地区联络线成 为输电瓶颈，使正常运行时电力输出和送入受到限制，在某些检修方式下会更 加严重。这需结合电网改造和其他安全稳定措施来解决。同时开断线路也可能 造成部分变电所运行电压偏低。 9 浙江大学硕士学位论文 2 1 3 分层分区的工程应用实例 1 上海电网分区实例 1 9 9 4 年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 1 所示【2 2 1 。同时，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。上海浦东新区和部分市区由新建的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。此外，在正常方式下5 0 0 k v 和2 2 0 k v 系统不再 电磁环网运行，北部地区，特别是石洞e l - 厂出力得到彻底解放，窝电情况不 再出现；同时5 0 0 k v 线路故障将不再引起2 2 0 k v 线路过负荷问题1 2 2 1 。 表2 1 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 0 1 2 3 3 8 1 1 4 1 09 2 8 西郊 1 9 0 0 0 1 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 0 7 23 0 7 0 8 5 3 1 ( 北)2 7 9 2 ( 北) 古北 1 5 0 0 01 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 0 0 01 1 4 7 6 3 1 1 5 ( 南)8 3 6 2 ( 南) 2 浙江电网分区实例 实现2 2 0 k v 电网的分层分区运行是浙江电网降低系统短路电流的主要措施 嗍。针对2 0 0 4 年浙北电网中乔司变和王店变短路电流水平过高的问题，同时考虑 到浙北地区的潮流平衡，对于浙北电网实行不完全分区运行，开断花鸣2 4 3 6 、 景云2 4 9 4 、景栖2 4 9 5 共3 回2 2 0 k v 线路如图2 1 所示，相关5 0 0 k v 变电所2 2 0 k v 母线 短路电流如表2 2 所示。 l o 浙江大学硕士学位论文 图2 1浙北不完全分区示意简图 表2 2 浙北不完全分区运行后2 2 0 k v 母线短路电流计算结果( 单位：k a ) 乔司变王店变 计算方式 三相故障 单相故障 三相故障 单相故障 基本方式估算 4 9 9 65 4 9 14 5 4 64 9 9 0 不完全分区后 4 4 0 44 9 7 54 2 5 44 7 7 2 2 2 加装限流装置 采用限流装置的本质是通过增加系统联系阻抗，降低电网的紧密程度，从 而减小变电站母线某些分支的短路电流。 2 2 1 变压器中性点接小电抗 l 变压器中性点接小电抗的限流原理 对于中性点经小电抗接地的普通变压器，当中性点经阻抗接地的y n 接法绕 组中通过零序电流时，中性点接地电抗上将流过三倍零序电流，并产生相应的 电压降，使中性点产生与大地不同的电位，如图2 2 ( a ) 所示。因此，在单相零序 等值电路中，应将中性点阻抗增大为三倍，并同它所接入的该侧绕组的漏抗相 串联，即零序等值电抗应为该绕组的漏抗与三倍中性点电抗值之和，如图2 2 ( b ) 所示。 浙江大学硕士学位论文 ( a ) ( 6 ) 图2 2 中性点加小电抗接地的普通变压器及其零序等值电路 自耦变压器中性点小电抗接地与普通变压器不同。自耦变压器中有两个直 接电气联系的自耦绕组，一般是用来联系两个直接接地的系统。由于自耦变压 器的两个自耦绕组共用一个中性点和接地阻抗，因此，中性点的入地电流，应 等于两个自耦绕组零序电流之差的三倍。当自耦变压器的中性点经小电抗接地 时，中性点的电位，不像普通变压器那样只取决于一个绕组的零序电流，而要 受两个绕组的零序电流的影响。因此，中性点接地电抗对零序等值电路及其参 数的影响，也与普通变压器不同。 图2 3 为中性点经小电抗接地的白耦变压器电路图及其零序等值电路。图中 1 、2 、3 分别表示高、中、低压三个绕组，五、五、五为中性点直接接地时的 高、中、低压侧的等值零序电抗，、z 、墨为中性点经小电抗接地后的高、 中、低压等值零序电抗。( a ) 为三绕组自耦变压器，将绕组3 开路( 即三角形开 口) 时，归算到l 侧的零序等值电路。设中性点电压为u 。，绕组端点对地电 压为、，绕组端点对中性点的电压为、，则有 r 。 lu l o = u l 。+ u 。 1 ( 2 1 ) lu 2 0 = u 2 。+ u 。 若高、中压绕组变比为k = u ，u ：，则可以得到归算到1 侧的等值电抗为： j x , + ：- ：u l o - _ u 2 0 ：掣+ u , o - - k )( 2 2 ) o。o 1 2 浙江大学硕士学位论文 图2 3中性点经小电抗接地的自耦燹压器及兵零序等值电路 式( 2 2 ) 中等号右边第一项为变压器直接接地时1 - 2 间归算到1 侧的等值电 抗，即 掣：弘，j- j ，l o 而宰：_j3x(iio-120)：j3x打(1一jj)。 i l ol u o 于是工y 二2 = y x , 一2 + d x o j j ) 2 = j x , + 邑+ y 3 x 0 - k ) 2 ( 2 3 ) 若将绕组2 开路，则自耦变压器相当于一台接法的普通变压器，其归算 到1 侧的等值电抗为 j x ：+ j x ；= j x 0 = j x + j 3 x = j x 、七j x ，+ j 3 x 。q q 同样，若将绕组1 开路，也是一台么的普通变压器，归算到l 侧的等值电 抗为 州+ 以= 倒一，= 一，+ j 3 x 2 , , 琅2 = + 成+ j 3 x 。k 2( 2 5 ) 有式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 和( 2 5 ) 即可求得中性点经小电抗接地的自耦变压器高、中、 低侧等值零序电抗为： 1 3 浙江大学硕士学位论文 _ = 1 a 。一：+ 码一墨一，) = 五+ 3 x ( 1 一后) 墨= 1 。一：+ 雹一，一砟，) = 五+ 3 以( 七一1 ) k( 2 6 ) 墨= 三( 如+ 墨一，一砟：) = 墨+ 3 x k 由式( 2 6 ) 可以看出，中性点经电抗接地的自耦变压器与普通变压器不同，它的零 序等值电路中，包括三角形在内的各侧等值电抗，均包含有与中性点接地电抗 有关的附加项，而普通变压器则仅在中性点电抗接入侧增加附加项【5 1 。 2 变压器中性点接小电抗的特点 变压器中性点加小电抗接地是降低单相短路电流的有效限流措施，特别是 单相短路电流大于三相短路电流的情况尤为明显 2 3 1 2 4 1 1 2 5 2 6 1 。变压器中性点接人 小电抗后，零序网络阻抗发生变化，有可能出现两相接地短路电流大于单相接 地短路电流的情况，因此，接入多少阻值的小电抗才能满足设备要求，应校核 短路点的单相接地短路电流以及，还应校核两相接地短路电流。自耦变压器中 性点经小电抗接地，合适的阻抗值在5 - 2 0 欧的范围内，更大的阻抗难以获得 相应的效果，却有体积增大等种种不利之处。变压器中性点接人小电抗后。总 的趋势是使系统由中性点有效接地向非有效接地转化。但电网最终究竟能允许 多少小电抗存在，尚无法得出确切的数字。从目前的研究结果来看，局部地使 用这一措施可以接受。在每次使用之前，应经过详细的论证。需要在变压器中 性点接人小电抗以控制短路电流时，是否要将所有变压器的中性点均接电抗。 如果只有一部分变压器接电抗，则不接小电抗的变压器在故障时流过的短路电 流可能比其他变压器未接电抗前更大。此时必须校核主变中性点的短路电流耐 受水平、接触电位差和跨步电位差。 3 变压器中性点接小电抗的工程应用实例 由于5 0 0 k v 变电站日益密集以及5 0 0 k v 自耦变压器大量使用，导致华东电 网大多数5 0 0 k v 厂站2 2 0k v 母线单相短路电流大于三相短路电流。2 0 0 4 年5 0 0 k v 河姆变、涌潮变投运后，兰亭变2 2 0 k v 母线三相短路电流将达到5 0 1 k a ，单 相短路电流将达到5 5 2 k a ，超过开关遮断容量。经过缜密分析，详细考核对保 护、过电压等方面的影响后，华东电网通过在兰亭变5 0 0 k v 的3 台主变中性点 加装小电抗的方法，将兰亭2 2 0k v 单相短路电流控制到了4 5 k a 以下【l 引。 1 4 浙江大学硕士学位论文 2 2 2 加装串联电抗器 l 串联电抗器的基本原理 限流电抗器通常串接在故障电流限制回路之中，以增加回路的阻抗2 7 1 ，但 是正常运行的回路阻抗较高，导致电压水平降低，也影响到变压器分解头的有 效运行。通常为了避免断路器升级而采用这种方法。图2 4 为应用限流电抗器的 示意图。 母线联络方式线路端接入方式 图2 4串联电抗器在系统中的两种接入方式 随着电力电子技术、计算机技术、新材料等的发展，出现了可控串联电抗 器，它在系统正常运行时对电网的影响很小，而在系统发生短路时又能快速限 制短路电流i 瑚。按工作原理不同，分为串联谐振型和并联谐振型两类，如图2 5 。 正常工作时导通控制器件关断，l c 谐振，阻抗为零，短路故障时导通控制器件 快速导通，电路谐振状态改变，呈现出很大的阻抗，从而限制短路电流。导通 控制器可选用电力电子器件或可控放电间隙。 lr 、一 导通控制器件导通控制器件 串联谐振型并联谐振型 图2 5 可控串联电抗限流器的2 种连接方式 可控串联电抗器也可归属为故障限流器中的一种。 美国p j m 电网关于安装串联电抗器的指导意见的要点如下1 2 9 1 ： 安装电抗器前后，相关设备( 如发电机) 负荷和潮流不能超标。 1 5 浙江大学硕士学位论文 电网的无功供求平衡不能因安装电抗器而显著降低。在必要时，必须安 装无功电源，以维持现有电网的无功平衡和可接受的电压波动。 串联电抗器的应用不能损害电网运行灵活性。典型的中等负荷水平，应 不影响电网的日常运行和设备检修的灵活性。 安装串联电抗器后，必须考核系统在所有负荷水平下的稳定性。必须安 装旁路开关设备，以便在不再需要电抗器时，输电系统能恢复到其正常 配置。 2 串联电抗器的特点 装设不可控串联电抗器是传统的限制短路电流的措施。优点是运行方式简 单、安全可靠。缺点是增加无功损耗及有功损耗，有时会降低系统的稳定性， 并需对现有线路上的距离保护方案进行修改。 可控串联电抗器的优点是：无需修改现有保护方案；对潮流和稳定基本无 影响；可分相运行；可按多重故障设计；基于f a c t s 的可控串联电抗器还有动 态附加功能，可减轻次同步谐振和阻尼振荡。缺点是投资大，需占用较大场地， 控制器件的容量和可靠性有待提高。虽然它在超高压输电网中尚无应用实例， 但它代表了故障限流器的发展方向。 采用串联电抗器限制超高压输电网的短路电流在国外已有成功应用。串联 电抗器具有限制短路电流和控制潮流的双重作用。不可控串联电抗器技术成熟、 应用广泛，可控串抗受到技术制约还未能在超高压电网中应用，但却是今后的 发展方向。 目前串联电抗器的生产水平已能满足5 0 0 k v 输电网限制短路电流的实用要 求。其中t r e n c h 公司已能生产额定电压7 6 5 k v 的串联限流电抗器1 2 3 】。 3 串联电抗器的工程应用实例 澳大利亚m e t r o g r i d 项目是为确保悉尼南部及周围地1 0 0 万人的电力供应而 建设，它通过2 7 k m 电缆线路将3 3 0 k v 的电力从s y d n e ys o u t h 变电站送往 h a y m a r k e t 地下变电站。项目完成后，将确保悉尼在用电高峰期的可靠供电。在 s y d n e y s o u t h 变电站装没有1 台串联电抗器，2 0 0 4 年3 月完成交接安装电抗器后， 可确保m e t r o g r i d 项日和h a y m a r k e t 变电站在多种系统状况下的高效率和安全运 行。该串联电抗器在系统故障时抑制短路电流，在系统正常时控制电缆中的潮 流。该电抗器为油浸式，由a b b 的瑞典l u d v i k a 工厂制造。基本参数为：系统 1 6 浙江大学硕士学位论文 电压3 3 0k v ，安装高度1 0 1 1 1 ，重量1 8 0 t ，价格1 5 0 万美元。它是a b b 制造的最 大的串联电抗器。 2 2 3 加装故障限流器 随着电力电子技术、超导技术、计算机技术、新材料等的发展，限制短路 电流以减轻断路器开断负担已成为可能，这就依赖于故障限流器( f c l ，f a u l t c u r r e n tl i m i t e r ) 的研制和开发。除上节介绍的可控串联限流电抗器，新近研究 较多的f c l 有：超导故障电流限制器、用限流熔断器实现的故障限流器、用限 流断路器实现的故障限流器和正温系数电阻故障限流器。下面对超导故障限流 器和正温系数电阻故障限流器做详细介绍： 1 超导故障限流器 在一定的温度和磁场条件下，超导体能够无阻传输小于其临界电流值的电 流。第2 类超导体在较高的外加磁场条件下仍然具有很高的临界电流密度，因 而在大电流、强磁场领域得到应用【3 l 】。当通过超导体的电流大于其临界电流时， 超导体从超导态变为常态。超导体具有完全反磁性的性质，磁通不能通过处于 超导态的导体，因而超导体可作为磁屏蔽材料使用。利用超导体的上述性质， 可以制作理想限流元件超导故障电流限制器( s u p e r c o n d u c t o rf a u l tc u r r e n t l i m i t e r ，缩写为s f c l ) ，简称超导限流器。s f c l 在系统正常运行状态下呈现很 小的阻抗，当系统因故障等原因出现过电流且其值大于超导体的临界电流时， 超导体产生较大的阻抗，从而限制了短路电流。 超导故障限流器可分为饱和型超导限流器，桥路型超导限流器，电阻型超 导限流器，变压器型( 感应型) 超导限流器等【3 2 3 7 】。 2 正温系数电阻故障限流器 正温系数电阻电抗器( p o s i t i v et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n tr e s i s t o rf a u l tc u r r e n t l i m i t e r ，简称p t c 电阻故障限流器) ，是利用正温度系数热敏陶瓷这种高技术新 材料研制而成的新型限流器件。它由能导电的活性物质和金属或非金属填充物 构成的合成物，在电路正常运行时电阻电压降低，产生的焦耳热损耗不用专门 的散热设备处理，通过和空气发生传导、对流、辐射等途径就能达到热平衡； 当发生过电流或短路时电流增加超过临界电流值，引起p t c 电阻发热膨胀，热 量来不及散发使电阻温度迅速增加，p t c 电阻阻值在s 时间内增加为高电阻值， 1 7 浙江大学硕士学位论文 从而起到限制故障电流的作用。 由于材料的独特性能，这种故障限流器的特性既具有良好的限流作用，又 可以多次重复使用和基本具有隔离故障的作用，其结构非常简单，功能十分可 靠，工作的可靠性、长寿命及其低成本均优于一般的限流器，且安装也十分方 便，其具有广阔市场前景，尤其在强电领域的开发应用上，在电力系统已用作 大电流过流保护。然而，由于p t c 电阻在温度升高时电阻值瞬时增加到室温电 阻的近