青海南部电网短路电流限制措施

doi:10.16513/j.2096-2185.DE.1901120

青海南部电网短路电流限制措施

傅旭¹, 王笑飞¹, 李富春¹, 张鹏宇²

¹西北电力设计院有限公司，陕西　西安　710075

²国网吉林省电力有限公司，吉林　长春　130000

Limiting Short-Circuit Current of Southern Qinghai Power Grid

FU Xu¹, WANG Xiaofei¹, LI Fuchun¹, ZHANG Pengyu²

¹Northwest Electric Power Design Institute Co., Ltd., Xi'an 710075, Shaanxi Province, China;

²State Grid Jilin Electric Power Co., Ltd., Changchun 130000, Jilin Province, China

编委: 蒋毅恒

收稿日期: 2019-10-11

Received: 2019-10-11

作者简介 About authors

傅　旭(1976—)，男，博士，高级工程师，注册咨询工程师，主要从事电力系统规划分析方面的研究工作，fuxu@nwepdi.com；。

王笑飞(1987—)男，硕士，工程师，从事电网工程设计方面的研究工作；。

李富春(1982—)男，高级工程师，从事电力系统规划设计研究工作；。

张鹏宇(1975—)男，教授级高级工程师，从事电力系统电网建设、生产调度、科技评审等工作。

摘要

随着青海南部地区特高压直流的投运，该特高压直流接入站和换流站的短路电流超标已成为电力系统安全运行面临的重大问题。分析了青海南部地区短路电流的发展趋势和750 kV母线短路电流超标的原因，提出了多种限制青海南部地区短路电流的措施。研究结果表明：(1)仅加装串抗不能解决塔拉750 kV母线短路电流超标问题，且塔拉均未留有装设串抗的位置；(2)塔拉750 kV出线出串运行可在一定程度上降低短路电流，可作为一种辅助措施；(3)塔拉750 kV出线改接方案存在线路交叉跨越、水电站群送出可靠性差等问题。建议为避免对750 kV线路交叉跨越，保证水电送出可靠送出，塔拉750 kV变压器升级改造或置换750 kV开关。

关键词： 短路电流限制 ; 串联电抗器 ; 青海电网 ; 线路出串

Abstract

With the operation of UHV DC in the southern part of Qinghai province, the short-circuit current of the UHV DC station and converter station has become a major problem of the safe operation of power systems. This paper analyzes the development trend and cause of short-circuit current in the southern part of Qinghai province power grid. On this basis, the measures to limit the short-circuit current are put forward. The research results show: (1) Only the addition of resistance does not limit short-circuit current of Tara 750 kV bus, and Tara 750 kV station does not has position to install resistance. (2) Though Tara 750 kV outlets out of string can reduce the short-circuit current, it can only be used as an auxiliary measure in the grid operation. (3) The 750 kV line reconnection scheme also has problems such as line crossover and poor reliability of the hydropower station group. Tara 750 kV is recommended to upgrade 750 kV switch to avoid cross-over crossing of 750 kV lines and ensure reliable delivery of hydropower station.

Keywords： short circuit current limitation ; series reactor ; Qinghai power grid ; line out of string

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本文引用格式

傅旭, 王笑飞, 李富春, 张鹏宇. 青海南部电网短路电流限制措施. 分布式能源[J], 2020, 05(01): 65-70 doi:10.16513/j.2096-2185.DE.1901120

FU Xu, WANG Xiaofei, LI Fuchun, ZHANG Pengyu. Limiting Short-Circuit Current of Southern Qinghai Power Grid. Distributed Energy[J], 2020, 05(01): 65-70 doi:10.16513/j.2096-2185.DE.1901120

0　引言

随着电力系统规模的不断扩大，电网规模和短路电流的矛盾日益突出^[1,2,3,4,5]，限制短路电流已经成为电网规划和运行的一个重要研究课题^[6,7,8,9,10]。

电力研究工作者提出了多种限制短路电流的方法，如将大机组降压运行限制短路电流^[11]、利用综合优化模型解决特高压受端电网的单相短路电流和三相短路电流超标问题^[12]、220 kV电网分区解环运行^[13]、在电网规划和设备选型时应用叠加定理计算含变流型电源电网短路电流^[14]、利用风力发电机短路时电压电流的特性关系求解出风电场的短路电流^[15]、利用端口补偿法计算故障端口阻抗参数矩阵，进而求出短路电流^[16]等。

近年来，随着青海电网的迅猛发展，尤其是青海南部地区特高压直流外送通道及其配套750 kV工程的建成投运，青海南部地区750 kV电网短路电流超标风险激增，亟需研究限制短路电流措施。本文分析青海南部地区短路电流的发展趋势和750 kV母线短路电流超标的原因，推导线路出串运行和装设串联电抗器的短路电流灵敏度，提出限制青海南部750 kV母线短路电流的措施。

1　塔拉750 kV母线短路电流问题分析

2025年青海南部地区750 kV电网接线结构如图1所示，短路电流计算结果如表1所示。2025年塔拉750 kV母线三相短路电流54.55 kA、单相短路电流58.96 kA，远超塔拉变50 kA断路器的开断能力。分析各支路对塔拉变短路电流的贡献，日月山站和合乐站提供的短路电流很大，分别提供短路电流占比约20%左右(两回线)和42%左右(三回线)。另外，海南换流站换流变接地，导致塔拉750 kV母线单相短路电流较高。

表1 2025年塔拉750 kV母线短路电流

Table 1 Short circuit current of Tala 750 kV bus in 2025 year

比较项目	支路电流/kA		支路电流占比/%
比较项目	三相	单相	三相	单相
1号主变	0.58	1.76	1.1	3.0
2号主变	0.58	1.76	1.1	3.0
3号主变	0.58	1.76	1.1	3.0
塔拉—羊曲1	2.89	2.49	5.3	4.2
塔拉—羊曲2	2.89	2.49	5.3	4.2
塔拉—日月山1	5.85	5.16	10.7	8.7
塔拉—日月山2	5.85	5.16	10.7	8.7
塔拉—海西1	3.50	3.03	6.4	5.1
塔拉—海西2	3.50	3.03	6.4	5.1
塔拉—红旗1	1.79	3.07	3.3	5.2
塔拉—红旗2	1.79	3.07	3.3	5.2
塔拉—合乐1	8.26	8.73	15.1	14.9
塔拉—合乐2	8.26	8.73	15.1	14.9
塔拉—合乐3	8.26	8.73	15.1	14.9
总的短路电流	54.55	58.96	100	100

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图1

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图1 青海网架接线示意图

Fig.1 Qinghai power grid structure diagram

2　塔拉750 kV站短路电流限制措施模拟

从塔拉750 kV母线短路电流超标原因来看，限制短路电流的措施需要从网架结构调整着手，若不能达到限流的目的，则需要考虑升级开关。

2.1　线路出串运行

利用变电站内3/2接线方式实现线路出串运行，是降低电网短路电流的方法之一。图2中正常运行时断路器A、B和C都闭合，当断路器A、C开断而B闭合时，AB线和BC线通过断路器B直接相连实现出串运行，和站内的母线以及其他设备断开。图中AB线和BC线正常运行时，可以理解成AB线和BC线通过零阻抗线路(断路器A、C)和其他设备相连，出串运行时断路器A、C。通过引入虚拟节点，当线路需出串时，并联一个阻抗值为－1的支路模拟。

图2

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图2 线路出串模拟

Fig.2 Breaking of line out of string

2.2　线路装设串抗模拟

线路装设串联电抗器通过在需要装设串抗的线路两端并联一个阻抗值为(－z_ij)//(z_ij＋z_L)的支路模拟^[17]，如图3所示，其中z_L为线路i-j接入的串联电抗器阻抗，z_ij为线路i-j的阻抗。

图3

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图3 线路加装串抗模拟

Fig.3 Model of line with reactor

2.3　750 kV线路改接

线路改接可以通过线路开断来模拟，如图4所示，节点i和节点j之间的线路改接至节点i和节点m，可通过追加2条阻抗分别为－z_ij、z_ij的线路模拟。其中，节点i和节点j之间追加－z_ij支路表示将节点i和节点j之间的线路切除，节点i和节点m之间追加z_ij支路则表示该支路改接至节点i和节点m。

图4

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图4 线路改接模拟

Fig.4 Model of line change connection

2.4　短路电流灵敏度计算

采用追加法来表示支路切除后节点阻抗变化量，可得出超标母线短路电流的灵敏度^[17]。

三相短路的短路电流标幺值 $I_{f}^{* I I I}$ 与对应节点自阻抗Z_ff的关系为

(1) $I_{f}^{* I I I} = \frac{1}{Z_{f f}}$

切除节点i和j之间的线路i－j前后，短路电流标幺值的变化量为

(2) $\begin{array}{l} Δ I_{f}^{* I I I} = I^{'} * I I I_{f} - I_{f}^{* I I I} = \\ \frac{1}{Z^{'}_{f f}} - \frac{1}{Z_{f f}} = \frac{Z_{f f} - Z^{'}_{f f}}{Z^{'}_{f f} Z_{f f}} \end{array}$

切除某条线路i-j，相当于在相应的节点上追加一条阻抗值为－z_ij的线路。支路切除前后矩阵对角线元素的变化量为

(3) $Z^{'}_{f f} - Z_{f f} = - \frac{Z_{L f}^{2}}{Z_{L L}} (f = 1, 2, \dots, m)$

其中

(4) $\begin{array}{l} Z_{L L} = Z_{j j} + Z_{i i} - 2 Z_{i j} - z_{i j} \\ Z_{L f} = Z_{f i} - Z_{f j} \end{array}$

式中：Z_ii为原网络节点i的自阻抗；Z_jj为原网络节点j的自阻抗；Z_ij为节点i、j的互阻抗；z_ij为切除线路的阻抗。

短路电流标幺值的改变量

(5) $Δ I_{f}^{* I I I} = \frac{Z_{L f}^{2}}{Z_{L L} Z_{f f}^{2} - Z_{f f} Z_{L f}^{2}}$

其中，Z_fi和Z_fj分别为断开线路首末端节点与三相短路电流超标研究节点之间的互阻抗。

转成有名值为

(6) $S_{k f}^{(3)} = Δ I_{f}^{I I I} = Δ I_{f}^{* I I I} \frac{S_{B}}{\sqrt{3} U_{B}}$

$S_{k f}^{(3)}$ 的大小衡量了当切除线路i－j后，三相短路电流超标研究节点f的短路电流变化程度。

单相接地短路为不对称短路，单相接地短路的电流标幺值为

(7) $I_{f}^{* I} = 1 / Z_{eq}$

式中Z_eq为等效故障阻抗

(8) $Z_{eq} = \frac{Z_{f f}^{(1)} + Z_{f f}^{(2)} + Z_{f f}^{(0)}}{3}$

式中： $Z_{f f}^{(1)}$ 、 $Z_{f f}^{(2)}$ 和 $Z_{f f}^{(3)}$ 分别为正序、负序和零序的短路节点自阻抗。

单相接地短路电流标幺值的变化量

(9) $Δ I_{f}^{* I} = I^{'} * I_{f} - I_{f}^{* I} = \frac{1}{Z^{'}_{eq}} - \frac{1}{Z_{eq}} = \frac{Z_{eq} - Z^{'}_{eq}}{Z^{'}_{eq} Z_{eq}}$

其中，线路切除前后的等效故障阻抗之差为：

(10) $Z_{eq} - Z^{'}_{eq} = \frac{1}{3} (Δ Z_{f}^{(1)} + Δ Z_{f}^{(2)} + Δ Z_{f}^{(0)})$

(11) $Δ Z_{f}^{(1)} = \frac{{(Z_{f i}^{(1)} - Z_{f j}^{(1)})}^{2}}{Z_{j j}^{(1)} + Z_{i i}^{(1)} - 2 Z_{i j}^{(1)} - z_{i j}^{(1)}}$

(12) $Δ Z_{f}^{(2)} = \frac{{(Z_{f i}^{(2)} - Z_{f j}^{(2)})}^{2}}{Z_{j j}^{(2)} + Z_{i i}^{(2)} - 2 Z_{i j}^{(2)} - z_{i j}^{(2)}}$

(13) $Δ Z_{f}^{(0)} = \frac{{(Z_{f i}^{(0)} - Z_{f j}^{(0)})}^{2}}{Z_{j j}^{(0)} + Z_{i i}^{(0)} - 2 Z_{i j}^{(0)} - z_{i j}^{(0)}}$

式中： $Δ Z_{f}^{(1)}$ 、 $Δ Z_{f}^{(2)}$ 和 $Δ Z_{f}^{(0)}$ 分别为正序、负序和零序的短路节点处线路切除前后自阻抗的差值。

综合以上各式，可得出单相接地短路电流灵敏度为

(14) $S_{k f}^{(1)} = \frac{\sqrt{3} S_{B} (Δ Z_{f}^{(1)} + Δ Z_{f}^{(2)} + Δ Z_{f}^{(0)})}{U_{B} {Z^{'}}_{e q}^{f f} (Z_{f f}^{(1)} + Z_{f f}^{(2)} + Z_{f f}^{(0)})}$

$S_{k f}^{(1)}$ 的大小衡量了当切除线路后，单相接地短路电流超标线路上的短路电流变化程度。

3　限流措施效果分析

3.1　塔拉750 kV出线加装串抗

如前所述，从各支路提供的故障电流来看，塔拉—合乐每回750 kV线路提供的短路电流超过8 kA，因此，可考虑在该线路上加装串抗限制塔拉750 kV母线的短路电流。塔拉—合乐三回线路各加装5～30 Ω串抗后短路电流见表2，其中塔拉和合乐站的母线电压均为800 kV，塔拉站开关遮断能力为50 kA，合乐站开关遮断能力为63 kA。

表2 2025年短路电流计算结果(加装串抗)

Table 2 Short-circuit calculation results in 2025 (installed series reactor) kA

比较项目	塔拉		合乐(海南换流站)
比较项目	三相短路	单相接地	三相短路	单相接地
加装0 Ω串抗	54.55	58.96	54.57	60.29
加装5 Ω串抗	52.55	56.65	52.59	58.19
加装10 Ω串抗	50.94	54.78	50.99	56.48
加装15 Ω串抗	49.61	53.24	49.66	55.06
加装20 Ω串抗	48.47	51.92	48.53	53.84
加装25 Ω串抗	47.51	50.81	47.58	52.8
加装30 Ω串抗	46.68	49.86	46.76	51.91

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可以看出，塔拉—合乐三回线路各加装15 Ω串抗，塔拉750 kV母线三相短路电流可降至50 kA以内，但单相短路电流超过50 kA；加装30 Ω串抗，塔拉750 kV母线单相短路电流仍接近50 kA。因此，仅加装串抗不能解决塔拉750 kV母线短路电流超标问题。另外，塔拉—合乐线路为海南直流电源汇集线路，潮流较重，不宜加装串抗，且塔拉750 kV变未留有装设串抗的位置。

3.2　塔拉750 kV出线出串运行

按目前750 kV间隔排列来看，塔拉变具备出串运行的线路有羊曲—塔拉和塔拉—合乐、红旗—塔拉和塔拉—海西、日月山—塔拉和塔拉—合乐。在调度运行时可考虑临时采取750 kV线路出串运行。本文考虑三种出串方式，如图5所示，短路电流计算结果如表3所示。

表3 2025年短路电流计算结果(塔拉750 kV线路出串运行)

Table 3 Short-circuit calculation results in 2025 (Tara 750 kV line out-of-string) kA

比较项目	塔拉		合乐(海南换流站)
比较项目	三相短路	单相接地	三相短路	单相接地
不出串	54.55	58.96	54.57	60.29
方式一	52.81	56.28	54.11	59.45
方式二	53.99	57.64	54.14	59.64
方式三	50.52	54.06	52.1	57.46

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图5

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图5 塔拉750 kV线路出串运行示意图

Fig.5 Schematic diagram of Tala 750 kV line out-of-string

(1)方式一：如图5(a)所示，羊曲—塔拉和塔拉—合乐出串运行形成羊曲—合乐线路，线路出串后，塔拉750 kV母线短路电流降低至56.28 kA，合乐750 kV母线短路电流降低至59.45 kA。

(2)方式二：如图5(b)所示，红旗—塔拉和塔拉—海西出串运行形成红旗—海西线路，线路出串后，塔拉750 kV母线短路电流降低至57.64 kA，合乐750 kV母线短路电流降低至59.64 kA；从网架结构来看，海西与塔拉、红旗形成三角环网，网架变化不大，塔拉短路电流变化很小。

(3)方式三：如图5(c)所示，日月山—塔拉和塔拉—合乐出串运行形成日月山—合乐线路，线路出串后，塔拉750 kV母线短路电流降低至54.06 kA，合乐750 kV母线短路电流降低至57.64 kA。

综上所述，仅从限制短路电流角度，塔拉相关750 kV线路出串运行，不能解决塔拉短路电流超标问题，750 kV出串运行与其他措施配合可在一定程度上降低短路电流，在电网运行中可作为一种辅助措施。需要说明的是，出串运行已改变原电网的结构，需结合具体方式进行校核分析，以不影响电网安全稳定运行为前提。

3.3　750 kV线路改接方案

结合前面分析，为限制塔拉750 kV母线短路电流超标问题，提出如下750 kV线路改接方案，如图6所示，短路电流计算结果见表4。

表4 短路电流计算结果

Table 4 Short-circuit calculation results kA

比较项目	塔拉		合乐(海南换流站)
比较项目	三相短路	单相接地	三相短路	单相接地
方案Ⅰ	47.75	48.22	54.73	61.06
方案Ⅱ	50.69	52.52	55.25	61.85

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图6

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图6 塔拉换流站750 kV母线短路电流解决方案

Fig.6 Tala 750 kV bus short-circuit current solution

方案Ⅰ：海西—塔拉双回线路塔拉侧改接入红旗，红旗通过3回750 kV线路接入海南换流站，如图6(a)所示。

方案Ⅱ：将羊曲汇—塔拉双回线路塔拉侧改接入红旗，红旗通过3回750 kV线路接入海南换流站，如图6(b)所示。

可以看出，按方案Ⅰ实施后，塔拉750 kV母线最大短路电流降低至48.22 kA，但海南换流站750 kV母线最大短路电流接近63 kA；按方案Ⅱ实施后，塔拉750 kV母线短路电流仅降低至52.52 kA，仍超过50 kA，而且海南换流站750 kV母线最大短路电流已接近63 kA。另外，网架调整还存在以下问题：方案Ⅰ存在750 kV线路交叉跨越，实施困难；方案Ⅱ，换流站成为电网的核心位置，造成大型电源接入点过于集中，水电站群送出可靠性较低，若海南换流站发生故障退出运行，将造成整个水电站群电力无法送出。

4　结论

(1)仅考虑加装串抗不能解决塔拉750 kV母线短路电流超标问题。塔拉—合乐线路为海南直流电源汇集线路，潮流较重，不宜加装串抗，且塔拉均未留有装设串抗的位置。

(2)塔拉750 kV出线出串运行，不能解决塔拉短路电流超标问题，远期为限制短路电流需要，750 kV出串运行与其他措施配合，在电网运行中可作为一种辅助措施。

(3)相关750 kV线路改接方案存在线路交叉跨越、水电站群送出可靠性差等问题。

(4)为避免750 kV线路交叉跨越，保证水电送出可靠送出，建议塔拉750 kV变升级改造或置换750 kV开关。

参考文献

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文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

HUANG

Gen

Research on limiting short-circuit current optimization of the power grid based on multi-objective method

[D]. Changsha: Hunan University, 2016.