一种电网短路电流限制方法

摘要

本发明公开了一种电网短路电流限制方法，该方法针对变电站常用的3/2接线方式，将限制短路电流定位到限制通过切除故障的开关的最大短路电流不超过其额定遮断电流，在短路电流水平越限的情况下，通过正常运行时固定断开或故障后通过继电保护选择性顺序跳开厂站内的某一个或多个开关，隔离某些支路故障电流从而减小切除故障的开关需要开断的最大短路电流，直至低于其额定遮断电流，从而保证开关成功跳闸隔离故障。本发明方法既能限制短路电流又不影响正常运行时的电网输电，成本低廉且易于工程实施。

权利要求

1.一种500kV电压等级的3/2接线方式下的电网短路电流限制方法，其特征在于包括如下步骤：A、计算厂站母线短路电流及相连支路的分支电流；

B、确定分支电流最小的支路及其所在的串；

C、比较确定母线短路电流和支路出口短路电流是否越限，若母线短路电流越限，则断开至少一个不是主变压器所在串的中开关；若支路出口短路电流越限，则断开支路所在串的位于对侧母线侧的至少一个边开关；若母线短路电流和支路出口短路电流同时越限，则同时断开一个不是主变压器所在串的中开关和支路所在串的位于对侧母线侧的一个边开关或交错断开位于不同串和不同母线侧的两个边开关。

2.根据权利要求1所说的一种500kV电压等级的3/2接线方式下的电网短路电流限制方法，其特征在于所述断开中开关限制母线短路电流时，可优先选择提供短路电流最大的串的中开关。

3.根据权利要求1所说的一种500kV电压等级的3/2接线方式下的电网短路电流限制方法，其特征在于所述断开边开关限制支路出口短路电流时，可优先选择提供短路电流最小的支路所在串的位于对侧母线侧的边开关。

4.根据权利要求1、2或3所说的一种500kV电压等级的3/2接线方式下的电网短路电流限制方法，其特征在于所述断开中开关或边开关的方式为固定断开或通过继电保护实现选择性顺序跳闸断开。

说明书

一种电网短路电流限制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种电网短路电流限制方法，属于输变电技术领域。

背景技术

[0002] 随着我国电力需求的快速增长，电力系统的规模日益扩大，电源和电网更加密集，局部电网短路电流水平也随之上升，部分厂站短路电流已经接近或超过开关额定遮断电流，给电力系统安全运行造成威胁。因此，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。

[0003] 目前常用的电网短路电流限制方法主要有以下五种：

[0004] 方法之一是提高开关的遮断容量。该方法是将厂站现有开关更换为额定遮断电流更大的开关，例如将500kV电压等级的原有额定遮断电流为50kA的开关更换为额定遮断电流为63kA的开关，该方法显然是一种直接有效的解决方法，但由于短路电流越限的变电站一般为枢纽变电站，需要更换的开关数量很多，因此所需的投资大、工期长，一方面购买新开关需要大量资金，另一方面工程实施时只能是逐步更换，使电网枢纽变电站长期处于非正常运行状态，而只要有一个开关未更换完毕，则短路电流越限造成的危险就一直存在。

[0005] 方法之二是调整电网结构，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。在高一级电压等级电网发展的基础上，低电压等级电网分层分区运行是限制短路电流最直接有效的方法，但同样存在经济性差和工期长等方面的问题。

[0006] 方法之三是变电所采用母线分段运行打开母线分段开关。该方法实施方便，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，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。

[0007] 方法之四是加装变压器中性点小电抗。在变压器中性点加装小电抗，该方法施工便利，投资较小，但仅对降低电网局部区域单相短路电流的作用较大，对于减轻三相短路故障的短路电流无效，而且还要考虑到系统及变压器中性点的过电压与绝缘配合，对系统的继电保护整定也有一定的影响。

[0008] 方法之五是采用串联电抗器。但该方法使系统阻抗增加，对系统无功、电压、损耗和稳定性会造成影响，虽然目前研究开发了可控串联电抗器，使其正常运行时阻抗为零，仅在故障电流超过其设定阀值时串入限流阻抗以限制短路电流，但目前所需费用较高、运行经验不足，有待实践检验和推广。

发明内容

[0009] 本发明的目的是针对变电站常用的3/2接线方式提供一种电网短路电流限制方法，相对已有的电网短路电流限制方法，该方法费用低廉且易于工程实施。

[0010] 本发明的目的是这样实现的：一种500kV电压等级的3/2接线方式下的电网短路电流限制方法，所述包括：

[0011] A、计算厂站母线短路电流及相连支路的分支电流；

[0012] B、确定分支电流最小的支路及其所在的串；

[0013] C、比较确定母线短路电流和支路出口短路电流是否越限，若母线短路电流越限，则断开至少一个不是主变压器所在串的中开关；若支路出口短路电流越限，则断开线路所在串的位于对侧母线侧的至少一个边开关；若母线短路电流和支路出口短路电流同时越限，则同时断开一个不是主变压器所在串的中开关和线路所在串的位于对侧母线侧的一个边开关或交错断开位于不同串和不同母线侧的两个边开关。

[0014] 所述断开中开关限制母线短路电流时，优先选择提供短路电流最大的串的中开关。

[0015] 所述断开边开关限制线路出口短路电流时，优先选择提供短路电流最小的线路所在串的位于对侧母线侧的边开关。

[0016] 所述断开中开关和边开关的方式为固定断开或通过继电保护实现选择性顺序跳闸断开。

[0017] 与现有技术相比，本发明一种500kV电压等级的3/2接线方式下的电网短路电流限制方法的优点是:针对当前500kV厂站常用的3/2接线方式，既不更换开关也不降低短路点的短路电流，而是将短路电流越限问题具体到厂站内的开关，正常运行时断开厂站内的至少一个开关或者是多个开关，使厂站处于非全接线方式运行，不需要增加一次设备，就可以隔离部分支路短路电流，从而减小故障隔离过程中流过开关的短路电流，达到降低开关需要开断的短路电流的目的，直至低于开关的额定遮断电流，保证开关成功跳闸隔离故障。本发明提供的电网短路电流限制方法所需投资非常低、经济效益好，实施方便、工期短。

附图说明

[0018] 图1是固定断开或选择性顺序跳开中开关示意图；

[0019] 图2是固定断开或选择性顺序跳开边开关示意图；

[0020] 图3是固定断开或选择性顺序跳开中开关和边开关示意图；

[0021] 图4是固定交错断开或选择性顺序交错跳开边开关示意图。

[0022] 图中，实心矩形块标示为闭合的开关，空心矩形块标示为断开的开关；K12、K22、K32、K42、K52标示为中开关；K11、K21、K31、K41、K51和K13、K23、K33、K43、K53标示为边开关；13X、33X、43X、53X和21X、31X、41X、51X分别标示为13支线、33支线、43支线、53支线和21支线、31支线、41支线、51支线；MX1和MX2分别标示为一号母线和二号母线；ZB1和ZB2分别标示为一号主变压器支线和二号主变压器支线。

具体实施方式

[0023] 本实施例以具有五个完整串的变电站为例。为了便于本领域一般技术人员理解和实现本发明，现结合附图描述本发明的实施例。

[0024] 为了实现本发明，所述包括以下步骤：

[0025] 步骤A：根据所研究的目标厂站及边界条件，计算厂站母线短路电流及相连支路的分支电流。

[0026] 步骤B：根据步骤A的计算结果，对各分支电流按照由小到大进行比较和排序，确定分支电流最小的支路及其所在的串。

[0027] 步骤C：比较确定母线短路电流和支路出口短路电流是否越限。该步骤具体分三种情况进行比较及限制。

[0028] 第一种情况：母线短路电流越限的比较及限制。若母线短路电流超过开关额定遮断电流，则断开至少一个不是主变压器所在串的中开关。将母线短路电流计算值和所有边开关的额定遮断电流进行比较，当母线短路电流小于边开关额定遮断电流时，母线短路电流不越限，不需要采取限流措施。否则，母线短路电流越限，需要采取限流措施。若需要留一定的安全裕度，则当母线短路电流与安全裕度之和小于边开关额定遮断电流时，母线短路电流是安全的，不需要采取限流措施。否则，母线短路电流不安全，需要采取限流措施。当边开关的额定遮断电流大小不一致时，例如有的是50kA，有的是60kA，取最小额定遮断电流进行比较。

[0029] 限制母线短路电流的非全接线运行方式限流方法可以有多种，根据短路电流越限量的大小，非全接线的方式不同，需要断开的开关数目也不同。具体分为以下三步：

[0030] 第一步：断开至少一个不是主变压器所在串的中开关，一般情况下断开一个或者是二个中开关，本实施例选择断开一个中开关。断开中开关限制母线短路电流时，从短路电流限制效果角度考虑，优先选择提供短路电流最大的串的中开关，可以最大限度地降低母线短路时开关需开断的最大短路电流，但不适合选择断开连接有主变压器所在串的中开关，也可以结合故障后系统潮流分布和稳定运行情况，进行综合考虑和选择。

[0031] 第二步：分析断开中开关后发生母线短路故障时开关需要开断的最大短路电流。参见图1，若断开中开关K42，那么当一号母线MX1短路时，保护动作跳开与一号母线MX1相连的各个边开关K11、K21、K31、K41和K51，有且仅有两种情况：一是K41不是最后断开，则K11、K21、K31和K51中最后断开的那个开关需要开断的短路电流最大，其值是41支线从该厂站脱出后的母线短路电流，由于少了一回线，母线短路电流必定比全接线时降低；二是K41是最后断开，则K11、K21、K31和K51中倒数第二个断开的开关需要开断的最大短路电流最大，其值是一号母线MX1短路电流减去41支线提供的短路电流。措施的风险是41支线陪停，可以通过故障母线切除后至恢复前这段时间内合上K42来恢复41支线运行。二号母线MX2短路时，限流情况与此相同。

[0032] 第三步：比较确定开关需开断的最大短路电流是否小于其额定遮断电流，如果是，则断开该中开关的非全接线运行方式即是限制母线短路电流的方法。

[0033] 若短路电流越限量较大，一般这种厂站的相连支路较多，需要断开一个以上中开关，可重复第一步至第三步，直至开关需开断的最大短路电流小于其额定遮断电流。

[0034] 第二种情况：支路出口短路电流越限的比较及限制。当支路出口短路电流越限时，则断开线路所在串的位于对侧母线侧的至少一个边开关。针对与母线相连的各条支路，包括线路和变压器等，分别用母线短路电流减去分支电流，如果该差值小于与该支路相连的中开关和边开关的额定遮断电流，则该支路出口短路电流不越限，不需要采取限流措施，如果该差值大于与该支路相连的中开关或边开关的额定遮断电流，则该支路出口短路电流越限，需要采取限流措施。若需要留一定的安全裕度，则当该差值与安全裕度之和小于与该支路相连的中开关和边开关的额定遮断电流时，该支路出口短路电流是安全的，不需要采取限流措施，否则，该支路出口短路电流不安全，需要采取限流措施。当与支线相连的中开关和边开关的额定遮断电流大小不一致时，例如有的是50kA，有的是60kA，则取最小额定遮断电流进行比较。

[0035] 限制支路出口短路电流的非全接线运行方式限流方法可以有多种，根据支路出口短路电流越限量的大小，非全接线的方式不同，需要断开的开关数目也不同。具体分二步：

[0036] 第一步：断开支路出口短路电流越限的支路对侧的至少一个边开关，一般情况下断开一个或者是二个边开关，参见图2。

[0037] 第二步：分析断开对侧边开关后发生支路出口短路故障时开关需要开断的最大短路电流。参见图2，断开连接一号主变压器ZB1的支路对侧的边开关K13后，当连接一号主变压器ZB1的支路出口短路时，保护动作跳开K11和K12，有且仅有两种情况：一是K12先于K11断开，则K12只需断开13支线提供的短路电流，此后K11需要开断的短路电流是13支线从厂站脱出后的母线短路电流减去此时一号主变压器ZB1提供的短路电流，13支线的脱出降低了K11开关需要开断的最大短路电流；二是K11先于K12断开，则K11需要开断的短路电流是母线短路电流减去连接一号主变压器ZB1的线路提供的短路电流和13支线提供的短路电流，K12开关只需开断13支线提供的短路电流。措施的风险是13支线陪停，可以通过故障支路切除后至恢复前这段时间内合上K13来恢复13支线运行。

[0038] 其它支路出口短路电流越限时，限流方法与此相同。

[0039] 第三种情况：母线短路电流和支路出口短路电流同时越限的限制。当母线短路电流的和支路出口短路电流同时越限时，可同时断开至少一个不是主变压器所在串的中开关和至少一个边开关或交错断开位于不同串和不同母线侧的两个边开关。此种情况也就是组合应用第一种情况和第二种情况中的方法。

[0040] 图3是断开中开关和断开边开关的组合，通过断开中开关K42限制母线短路时开关需开断的最大短路电流，通过断开边开关K13限制支路出口短路时开关需开断的最大短路电流，同时断开中开关K42和边开关K13后，母线和支路出口短路时开关需开断的最大短路电流均被降低。

[0041] 此外，断开边开关还可同时起到限制对侧母线短路时开关需开断的最大短路电流的作用。例如断开K13后，当一号母线MX1发生短路故障时，若K11不是最后断开，则一号母线MX1侧最后断开的边开关需要开断的短路电流最大，其值是第1串从厂站出串后的母线短路电流；若K11是最后断开，则一号母线MX1侧倒数第二个断开的开关开断的短路电流最大，其值为一号母线MX1短路电流减去13支线和一号主变压器ZB1支线提供的短路电流。K11只需开断两种情况下13支线和一号主变压器ZB1支线提供的短路电流。

[0042] 若两条母线侧各有一个位于不同串上的边开关被断开，例如交错断开一号母线MX1的边开关K51和二号母线MX2的边开关K13，则可以限制两条支路出口短路时开关需开断的最大短路电流，同时两条母线短路时开关需开断的最大短路电流也被降低，从而达到同时限制母线和支路出口短路电流的目的。图4即是这种交错断开边开关方法的示例。

[0043] 由此类推可得知，断开同一串的两个边开关使得该串从变电站脱出（出串）是断开边开关限流方法的特殊组合情况。

[0044] 本发明方法在华中电网500kV孝感变电站进行试验，该变电站的主接线图如图1所示。试验按以下步骤进行：

[0045] 步骤A：根据运行方式数据计算得出的孝感变电站500kV母线三相短路电流为51.81kA，并同时可得各分支电流，如下表所示：

[0046]。

[0047] 步骤B：各分支电流由小到大的次序为：连接一号和二号主变压器的支线分支电流分别为1.61kA和2.34kA、41支线和51支线分支电流均为4.30kA、21支线和31支线分支电流均为4.94kA、13支线和33支线分支电流分别为6.79kA和6.82kA、43支线和53支线分支电流均为8.17kA。分支电流最小的支路是连接一号主变压器的支路，位于第一串。

[0048] 步骤C：比较确定母线短路电流和支路出口短路电流是否越限。该步骤具体分三种情况进行比较及限制。

[0049] 第一种情况：母线短路电流越限的比较及限制。孝感变电站500kV母线短路电流为51.81kA，有部分开关额定遮断电流为50kA，因此母线短路电流越限。此时本发明提供的短路电流限制方法分三步：

[0050] 第一步：断开至少一个不是主变压器所在串的中开关。对于孝感变电站，参见图1，与厂站母线相连的所有支路中，连接一号主变压器ZB1的支线提供的短路电流最小，其次是连接二号主变压器ZB1的支线提供的短路电流，再次是第4串和第5串的情况相似，第
3串提供的短路电流最大。当一号母线MX1发生三相短路故障时，第1串和第2串接有主变压器，不适合选择断开所在串的中开关，第4串和第5串的情况相似，可选择断开所在串的中开关K42或者K52，同时考虑到第4串计划改造，本实施例选择断开K42。

[0051] 第二步：分析断开中开关后发生母线短路故障时开关需要开断的最大短路电流。参见图1，若断开不是主变压器所在串的中开关K42，那么当一号母线MX1短路时，若K41不是最后断开，则K11、K21、K31和K51中最后断开的那个开关需要开断的短路电流最大，其值是41支线从该厂站脱出后的母线短路电流，计算结果为48.85kA；若K41是最后断开，则K11、K21、K31和K51中倒数第二个断开的开关需要开断的最大短路电流最大，其值是一号母线MX1短路电流减去41线提供的短路电流，即为51.81-4.30=47.51kA。

[0052] 第三步：比较确定开关需开断的最大短路电流是否小于其额定遮断电流。根据第二步，无论K41以何种次序断开，由于中开关K42已经断开，K41只需开断上述两种不同情况41支线提供的短路电流，而单条支线提供的短路电流一般远小于开关额定遮断电流。因此所有边开关需要开断的短路电流均小于其50千安的额定遮断电流，一号母线MX1短路时开关都能有效开断，从而隔离故障。

[0053] 二号母线MX2短路时，限流情况与一号母线MX1短路时相同，此时开关需要开断的最大短路电流为48.79kA（K43不是最后断开）或51.81-8.17=43.64kA（K43最后断开）；K43只需开断两种不同情况下43支线提供的短路电流。

[0054] 综上所述，断开中开关K42后，孝感变电站母线短路时开关需开断的最大短路电流如下表所示：

[0055]。

[0056] 因此，断开中开关K42后，无论孝感变电站一号母线MX1短路还是二号母线MX2短路，所有开关需要开断的短路电流均小于其额定遮断电流，开关都能有效开断，从而隔离故障。

[0057] 第二种情况：支路出口短路电流越限的比较及限制。孝感变电站500kV母线所有相连支路中，提供分支电流最小的支路是连接一号主变压器的支路ZB1，其提供的短路电流为1.61kA，因此当连接一号主变压器ZB1的线路出口发生三相短路时，开关需开断的最大短路电流为51.81-1.61=50.20kA，超过开关额定遮断电流50kA。同理可知其它支路出口短路电流不越限。此时本发明提供的短路电流限制方法分二步：

[0058] 第一步：断开支路出口短路电流越限的支路对侧的至少一个边开关，对于孝感变电站，参见图2，与母线相连的所有支路中，连接一号主变压器ZB1的支线提供的短路电流最小，其支路出口短路电流越限，因此选择断开连接一号主变压器ZB1的支线对侧的边开关K13。

[0059] 第二步：分析断开对侧边开关后发生支路出口短路故障时开关需要开断的最大短路电流。对于孝感变电站，断开边开关K13后，当连接一号主变压器ZB1的支路出口短路时，若K12先于K11断开，则K12只需断开13支线提供的短路电流，此后K11需要开断的短路电流是13支线从厂站脱出后的母线短路电流减去此时一号主变压器ZB1提供的短路电流，计算13支线脱出后的短路电流为48.12kA，此时ZB1提供的短路电流为1.61kA，即K11需开断的最大短路电流为48.12-1.61=46.51kA；若K11先于K12断开，则K11需要开断的短路电流是母线短路电流减去一号主变压器ZB1提供的短路电流和13支线提供的短路电流，即51.81-1.61-6.79=43.41kA，K12开关只需开断13支线提供的短路电流。因此，无论哪种情况，所有开关需开断的短路电流均小于其50kA的额定遮断电流，开关都能有效开断，从而隔离故障。

[0060] 第三种情况：母线短路电流和支路出口短路电流同时越限的限制。对于孝感变电站，其母线短路电流和连接一号主变压器ZB1的线路出口短路电流越限，此时选择断开不是主变压器所在串的中开关K42和边开关K13，如图3所示，根据前面所述，母线短路时开关需开断的最大短路电流被限制到不超过48.85kA，支路出口短路时开关需开断的最大短路电流被限制到不超过46.51kA，均被限制到开关50kA的额定遮断电流以下。

[0061] 对于孝感变电站，断开K13后，当一号母线MX1发生短路故障时，若K11不是最后断开，则最后断开的边开关需要开断的短路电流最大，其值是第1串从厂站出串后的母线短路电流，计算结果为47.61kA；若K11是最后断开，则倒数第二个断开的开关开断的短路电流最大，其值为一号母线MX1短路电流减去13支线和一号主变压器ZB1支线提供的短路电流，即为51.81-6.79-1.61=43.41kA，K11只需开断两种情况下13支线和一号主变压器ZB1提供的短路电流。因此断开边开关还可同时起到限制对侧母线短路时开关需开断的最大短路电流的作用。

[0062] 断开边开关K13后连接一号主变线路出口或一号母线三相短路时开关需要开断的最大短路电流如下表所示：

[0063]。

[0064] 对于孝感变电站，如果在断开二号母线MX2侧的边开关K13的同时再交错断开一号母线MX1侧的一个边开关，例如选择K51，如图4所示，当二号母线MX2三相短路时，若K53不是最后断开，则最后断开的边开关需要开断的短路电流最大，其值是第5串从孝感变电站出串后的母线短路电流，计算结果为46.39kA；若K53是最后断开，则倒数第二个断开的开关需开断的短路电流最大，其值为二号母线MX2短路电流减去53支线和51支线提供的短路电流，即51.81-8.17-4.30=39.34kA；K53开关只需开断两种情况下53支线和51支线提供的短路电流，从而各边开关需开断的短路电流均低于其50kA的额定开断电流。

[0065] 结合前述断开边开关K13对一号母线MX1短路电流的限制作用可知，若交错断开孝感变电站一号母线MX1的边开关K51和二号母线MX2的边开关K13，则可以限制两条支路出口短路时开关需开断的最大短路电流，同时两条母线短路时开关需开断的最大短路电流也被降低，从而达到同时限制母线和支路出口短路电流的目的。

[0066] 综合以上所述，对于孝感变电站，本发明提供了两种短路电流限制方法，一是断开中开关K42和边开关K13，如图3所示，二是断开边开关K13和边开关K51，如图4所示，这两种方法都能同时将母线和支路出口三相短路时开关需开断的最大短路电流限制到50kA的额定遮断电流以下。结合电网短路故障后的潮流和稳定分析，断开中开关K42和边开关K13的方法相对更优，因此作为推荐方法。

[0067] 开关断开方式可以是固定断开，即正常运行时就将开关断开，使其处于备用状态，也可以是选择性跳闸，即在短路故障发生后通过继电保护首先使其跳闸，然后相关的其余开关再跳闸。由于选择性跳闸延长了故障持续时间，在当前技术水平条件下，固定断开方式更为可行。

[0068] 本发明所提供的短路电流限制方法不受限于变电站具有的串的数量以及是否有不完整串，变电站的串个数不等于五个和/或有不完整串，可以类似地实施和应用本发明所提供的短路电流限制方法。

[0069] 本发明方法适用于500kV电压等级的采用3/2接线方式的发电厂和变电站，尤其适用于在短路电流超过开关额定遮断电流不多、或近期短路电流越限但远期短路电流下降、或由于相关厂站场地或电网运行方式限制使得常规限流措施无法实施、或开关更换施工过程中等情况下作为一种临时限流措施，既能限制短路电流又不影响正常运行时的电网输电，成本低廉且易于工程实施。

[0070] 本文中所描述的有关数据和设备只是本发明专利的具体实施例，是对本发明专利精神作的举例说明。本发明专利所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明专利的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。