淺談大電流對電力線路的影響

隨著我國經濟的快速發展，供電負荷迅速增加，供電規模不斷擴大。然而，由于500kv電網和220kv電網的磁環網絡運行，負荷集中，供電結構致密，供電密集，供電短路電流水平迅速增加，直接影響整個供電的安全穩定運行，同時也影響了電網的建設和生產能力。目前,短路電流水平增長過快問題已成為電力系統規劃、運行方面所面臨的重要問題。一、短路電流增加的原因1.機組集中和效率較低經濟的高速發展而帶來電力需求以空前速度增長,電源建設向著電廠布局集中化、單機大容量化方向發展,本來電源布局應以負荷分布而定,避免過分集中,但目前由于一次能源供應和運輸的限制、環境保護要求的提高、電廠用地的困難,出現了發電廠發電機組增加、發電廠集中建設成為電站群的現象,此外,熱效率高的大容量發電機組也成為電源開發的主流,均給電廠帶來了附近短路電流水平的迅速增長。2.電網網架規模增長迅速用電需求的快速增長,電源大規模集中建設開發,帶來500kV、220kV變電所及輸電線路數量急劇膨脹,電網網架規模增長迅速,電網聯系緊密,環網增多。密集的500kV、220kV網絡使得電網電氣距離縮短,系統阻抗逐年減小、系統短路電流逐年加大。二、短路電流增加的損害1.增加投資費用由于短路電流的增大,斷路器、隔離開關、電流互感器等電器設備以及母線等設施,為要承受大電流的沖擊而必須選擇具有更大遮斷容量的斷路器和相應的電氣設備,這就必然增加投資費用。2.電流產生的磁通由于系統短路電流增大,發生不對稱短路時,系統單相接地短路電流也隨之增大,不平衡電流產生足夠的磁通,在鄰近的電路內感應出很大的電動勢,這對架設在高壓電力線路附近的通信或鐵道信號系統,尤其是平行于電力線路的通信線路,電磁感應的危害大大增加。3.危害人類和動物短路電流大幅度增大,不對稱短路電流流入地網電流成正比增加,10kV鐵塔附近的接觸電壓和跨步電壓也成正比增大。危及人身及牲畜。4.導線熔斷破壞短路電流大幅度增大以后,架空線故障點破壞加劇,絕緣子破損,導線熔斷嚴重;埋地電纜的損壞更嚴重,并危及其它電纜。使修復時間增長,延長停電時間。5.增加對主電源的損害饋線短路電磁力對變壓器的損害有積累效應,短路電流大幅增大以后,多次近區短路的變壓器可能潛伏著損壞隱患。三、短路電流問題目前,我國電網的發展面臨著部分地區電網短路電流增長較快,少數變電所的短路電流水平已經接近或超過其開關現有的遮斷容量。特別是那些于處于負荷中心,負荷密度大,電網聯系特別緊密的電網,短路電流問題尤為突出。在規劃中為限制短路電流水平采取的主要措施:1.分層分區限制短路電流的方法所謂電網分層是指電網的電壓等級,即按網絡傳輸能力的大小將電力系統劃分為由上而下的若干結構層次;而所謂電網分區是指以受端系統為核心將供應電力和電能的遠方電廠聯系在一起,形成一個供需平衡的區域,并經過聯絡線與相鄰系統相聯。因此分層分區是指按電網的電壓等級將電力系統分為若干結構層次;在不同層次上按供電能力劃分若干區域,為區域內電力負荷安排合適的電力供應,形成基本的供需平衡。同時,由于系統中單機容量和發電廠容量、變電所容量、負荷及負荷密度的持續增長,高壓網內部的連接日漸緊密,使得各電壓等級電網中短路電流不斷增加,各類送變電設備如開關設備、變壓器及互感器、變電所的母線、架構、導線、支持瓷瓶和接地網都必須滿足短路電流的要求。分層分區限制短路電流的方法有以下優點:(1)網絡層次清晰,便于調度操作和事故處理;(2)分層分區后取消高低壓之間的電磁環網運行,線路輸送容量得到充分發揮;(3)提高用電可靠性。輸電線路采用高一級電壓后,輸送能力增強了,電力系統穩定性得到改善,從而系統可靠性也得到了相應的提高;(4)降低低電壓等級的短路容量;(5)減少樞紐變電站和電廠母線分段運行,提高其安全性和可靠性。分層分區前,部分樞紐變電站和電廠為降低短路容量被迫母線分段運行;在分層分區后,樞紐變電站和電廠母線的短路容量得到顯著下降,可停止原有的母線分段運行方式恢復正常運行,從而提高了樞紐變電所和電廠的安全性和可靠性;(6)改善潮流流向,減少被迫迂回,降低線損。然而,由于各方面的原因,國際上特高壓的發展戰略暫被擱置。我國國家電網公司提出了建設特高壓骨干網架的目標,淮南—皖南—浙北—上海輸變電工程作為華東電網“十一五”初期的特高壓交流示范工程,將于2008年建成投產。特高壓建成后,將于我國交流500kV主干網架形成合理的級差,對短路電流限制將有顯著的作用。2.最大短路容量創破升高系統運行電壓等級,也是限制短路電流的一項有效措施。例如鄂東地區“九五”末期仍不出現500kV電壓等級,最大短路容量將高達44.4kA,而發展500kV電網,最大短路電流可限制到34.1kA,下降了23.3%,其他鄰近廠、站的短路電流可限制在31.5kA。根據機組容量大小,選擇相應的電壓等級,不僅要防止大機組接入較低電壓等級電網,造成較低電壓等級電網的短路容量增加過速、過大,而且要避免較小機組接到較高電壓等級電網上。3.多接頭分段運行這種限制短路電流水平的方式在國外已普遍采用,例如聯邦德國的RWE系統。為了限制220kV及380kV電網的短路電流不超過目前制造的開關設備的最大遮斷容量,在一些變電所中采用了多母線分列運行的方式。但是在某些情況下,在正常運行時,為了保證系統運行有適當的裕度,母線仍需并列運行。解決矛盾的辦法是在母線斷路器上裝設自動快速解列裝置,在故障時將母線斷路器快速斷開。多母線分列運行或母線分段運行限制短路電流水平的效果是很明顯的,例如在RWE系統中,如果220kV及380kV電網中變電所的母線都并列運行,則最大短路電流水平將分別達到110kA及90kA。采取分段運行措施后,在380kV電網中,其50%值降低了12%,最大值降低了45%;在220kV電網中則分別降低了22%和86%。在歐洲其他國家如法國、瑞士也都分別在380kV及220kV電網中采用了這項措施。4.交流系統直流輸電只輸送有功功率而不輸送無功功率,而短路電流多半為無功電流。系統中如裝機容量增加,在交流系統中部分采用直流系統的話,短路電流可以不增加。作為交直流系統,交流系統發生故障時,由于直流電流的控制作用,便能很好地起到限制短路電流的作用。5.采用空氣間隙小的小體積發電機、變壓器等設備采用較高的阻抗來限制短路電流。對發電機而言阻抗增大短路比減小,空氣間隙減小,設備的體積便可減小。采用高阻抗后帶來的優點是設備體積減小,勵磁機容量減小。對變壓器而言,采用高阻抗,是限制短路電流的有效方法,它改善了系統短路電流的水平,減小了輸電線路對鄰近通信線路的干擾和危害,有利于斷路器等電氣設備的選型。6.改造輸電線路作為限制短路電流的措施可以采用裝設輸電線路串聯電抗器與母線裝設分段電抗器這兩種方式。制造串聯電抗器在技術上沒有問題,對限制短路電流的效果也是明顯的。在發電廠廠用電系統中10～35kV變電所中早已采用了這項措施。輸電線路裝設串聯電抗器,在超高壓、長距離輸電線路用的比較多,等于增加了輸電線路的距離,阻抗增大,而限制短路電流。另外,它也補償長距離線路電容電流的影響,有效地改善了線路末端的電壓水平。但是同時會增加網損,還會降低系統的穩定性。母線裝設分段電抗器與采用分段母線的道理是一樣的,同樣是利用改變系統聯系和結構來限制短路電流。7.中性點接地導致交流系統故障,導致系統遮斷容量選擇困難對于中性點經小電抗接地的普通變壓器,當接法繞組中通過零序電流時,中性點接地電抗上將流過三倍零序電流,并產生相應電壓降,使中性點產生與大地不同的電位。因此,其零序等值電抗應為該繞組的漏抗與三倍中性點電抗值之和。自耦變中性點經小電抗接地有所不同。電站機組臺數多,大量主變壓器中性點直接接地后使系統零序電抗大大降低,導致單相短路電流超過三相短路電流,造成斷路器遮斷容量選擇困難。采用中性點經小電抗接地后將單相短路電流限制到三相短路電流水平,較好地限制了短路電流。8.fcl短路電流制為了限制短路電流而又不增大系統阻抗,近年來有些國家試驗研究了故障電流限制器(FanltCurrentLimiter,縮寫為FCL)。它也是一個阻抗,但只是在出現短路電流且流過限制裝置時,該阻抗才串入短路電流回路以限制短路電流。它的實現方案按關鍵技術可分為超導故障電流限制器、用電力電子器件實現的FCL、用放電間隙法實現的FCL和用限流熔斷器實現的FCL等。9.設置微生物保護從短路電流分析可知,發生短路故障后約10ms時間出現最大短路沖擊電流,采用微機保