变电站电气设计需合理采用限流措施探讨

摘要：通过分析惠州电网10 kV电力系统短路电流大幅度增大后引起的危害，说明限制短路电流的必要性，为此, 介绍短路电流的计算方法及限制短路电流的措施。最后结合实际变电站的设计，对所采用的10 kV限流措施进行技术经济比较，表明110 kV变电站采用高阻抗变压器是最优方法。

关键词：变电站；电气设计；短路电流；限制措施

惠州电网处于粤中电网与粤东电网相连的枢纽位置上。随着广东电力系统的高速发展，系统容量逐年增大，惠州电网短路电流迅速增大，10 kV系统尤为明显。为确保系统安全、稳定、经济可靠运行，必须采取一些限制短路电流的对策并结合远景规划，搞好变电站设计，做好设备选型，从而避免新设备提早退役或新站投产不久即进入改造期。无论采用那种限流方法都应建立在科学分析的基础上，如果不必设置而装设将增加投资，应该设置而不装设则变电站投运不久就有缺陷，为此必须进行短路电流的计算和限流措施的技术经济比较。

1 短路电流大幅度增大造成的危害

1.1 增加投资费用

短路电流大幅度增大以后，为满足动、热稳定要求，需选用具有更大遮断电流的断路器及相应的电气设备，这就必然增加投资费用。

1.2 故障点的破坏性增大

短路电流大幅度增大以后，架空线路故障点破坏加剧，绝缘子破损，导线熔断严重；埋地电缆的损坏更严重，并危及其它电缆，使修复时间增长，延长停电时间。

1.3 增加对通信线路的危害

短路电流大幅度增大，发生不对称短路时，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线路或铁道信号系统，尤其是平行于电力线路的通信线路，危害性大大增加。

1.4 危害人畜

短路电流大幅度增大，不对称短路流入地网电流成正比增加，10 kV铁塔附近的接触电压和跨步电压也成正比增大，危及人身和牲畜。

1.5 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,短路电流大幅增大以后,多次近区短路的变压器可能潜伏着损坏隐患，广东省1999年就有6台110 kV主变压器因近区短路冲击而损坏。

2 短路电流的计算

2.1 对称短路电流的计算

发生非金属性短路时（见图1所示），故障点f经过渡阻抗Zf发生短路。Zf不参与形成网络的节点导纳（或阻抗）矩阵。在要求精度不高的计算中，所有节点的负荷略去不计，短路前处于空载状态，各节点电压分量的标么值都取1，则短路电流If及短路后节点i的实际电压Ui分别为：

If=1/(Zff+Zf)，    (1)

Ui=1-［Zif/(Zff+Zf)］.    (2)

发生金属性短路时，Zf=0。当知道各节点阻抗矩阵的有关元素，就可进行短路电流的计算。

2.2 不对称短路电流的计算

不对称短路电流和对称短路电流的计算步骤是一致的，先算出故障口的电流，接着算出网络中各节点电压，由节点电压即可确定各支路电流，所不同的是，要分别按以下三个序进行计算：

If(1)=Uf(0)/(Zff+ZΔ)，

If(2)=K2×If(1)，

If(0)=K0×If(1)；      (3)

Uf(1)=Uf(0)-(Zff(1)×If(1))，

Uf(2)=-Zif(2)×If(2)，

Uf(0)=-Zif(0)×If(0).    (4)

各种不对称故障的ZΔ,K2, K0可由有关的计算公式求得。

3 计算实例

3.1 设计水平年的选择

这里重点分析10 kV系统短路电流增大对选用设备的影响，解决在110 kV太阳城变电站设计中如何合理采取限流措施和选择设备参数的问题，并检验设备选择对远景的适应性。110 kV太阳城变电站最终设计规模为3×50 MVA, 预计2001年建成投产，为使计算结果精确并接近实际，以2010年省网220 kV规划系统的阻抗为主要计算依据。

3.2 短路电流计算结果及分析

形成2010年规划电力系统相应的正序网络和零序网络，并建立对应的两个数据文件，由计算机计算得到太阳城变电站110 kV母线及10 kV母线的短路电流如表1所示。

由表1可知，2010年该站110 kV系统短路电流不超过31.5 kA，因此110 kV系统不用采取限流措施，在今后10 a内开关设备不会超容量; 由于变压器容量大，110 kV太阳城站的10 kV母线今后10 a内最大短路电流可能达到49.41 kA（两台主变压器并列运行的情况），因此，在设计中需要研究限流措施，以便使短路电流降低到合理的水平，采用哪种限流措施需进行技术经济比较后再确定。

4 10 kV系统短路电流的限制措施

4.1 限制短路电流的措施

4.1.1 变压器分列运行

10 kV母线分段运行，10 kV母线短路电流只流过一台主变压器，其短路电流值较两台变压器并联运行时大为降低，从而在许多情况下允许10 kV侧装设轻型电气，故障点的一段母线能维持较高的运行电压，不足之处是变压器的负荷不平衡，使电能损耗较并列运行时稍大；一台变压器故障时，该分段母线的供电在分段断路器接通前要停电，此缺点可由分段断路器装设备自投装置来解决。

4.1.2 在变压器回路中装设电抗器

在变压器低压回路装设串联电抗器，从而降低低压侧的短路电流水平，将其限制在允许的范围内。缺点是增加配电楼的建筑面积，加大投资费用。

4.1.3 采用高阻抗变压器

采用高阻抗变压器，是限制短路电流的有效办法，它降低了系统短路的电流水平，减少了馈电线路对邻近通信线路的干扰和危害，有利于断路器等电气设备的选型。近年来，从国外引进的高阻抗变压器在系统上的运行效果很好，缺点是费用高。

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