浅谈电力系统中短路电流的危害及其防范

2022-09-12

电力系统短路是指供电系统中不等电位的导体在电气上被短接, 如相与相之间的短接, 或在中性点接地系统中一相或几相与大地相接以及三相四线制系统中相与零线的短接等。当发生短路时, 电源电压被短接, 短路回路阻抗很小, 于是在回路中流通很大的短路电流。三相短路电流计算是电力系统规划、设计、运行中必须进行的计算分析工作。如果短路电流计算结果偏于保守, 有可能造成不必要的投资浪费, 若偏于乐观则将给系统的安全稳定运行埋下灾难性的隐患。文章以下主要介绍了短路电流的产生及危害, 短路电流国内外的计算方法, 并探讨了提高电力系统抗短路能力的策略。

1 短路产生的原因及危害

电力系统产生短路的主要原因是供电系统中的绝缘被破坏。在绝大多数情况下, 电力系统的绝缘的破坏是由于未及时发现和消除设备中的缺陷和维护不当所造成的。例如过电压、直接雷击、绝缘材料的老化、绝缘配合不当和机械损坏等, 运行人员错误操作, 如带负荷断开隔离开关或检修后未撤接地线就合断路器等;设备长期过负荷, 使绝缘加速老化或破坏;小电流系统中一相接地, 未能及时消除故障;在含有损坏绝缘的气体或固体物质地区。此外在电力系统中的某些事故也可能直接导致短路, 如电杆倒塌、导线断线等也会造成短路。

短路电流所产生的电动力能形成很大的破坏力, 如果导体和它们的支架不够坚固, 可能遭到难以修复的破坏, 短路时由于很大的短路电流流经过网路阻抗, 必将使网路产生很大的电压损失。另外, 短路类型如果是金属性短路, 短路点电压为零, 短路点以上各处的电压也要相应降低很多, 一旦电压低于额定电压太多的时候就会使供电受到严重影响或被迫中断, 若在发电厂附近发生短路, 还可能使全电力系统运行解列, 引起严重后果。接地短路时, 接地相出现的短路电流为不平衡电流, 该电流所产生的磁通将对邻近平行的通讯线路感应出附加电势, 干扰通讯, 严重时, 将危及通讯设备和人身的安全。为了限制发生短路时所造成的危害和故障范围的扩大, 需要在供电系统中加装保护, 以便在故障发生时, 自动而快速地切断故障部分, 以保障系统安全正常运行, 这就需要我们准确的计算短路电流的大小。

2 电力系统短路电流的计算

2.1 电力系统短路电流的经典计算方法简述

经典的短路电流计算方法为:取变比为1.0, 不考虑线路充电电容和并联补偿, 不考虑负荷电流和负荷的影响, 节点电压取1.0, 发电机空载。短路电流计算的标准主要有IEC标准和ANSI标准, 我国采用的是IEC标准。采用IEC标准进行短路电流计算时, 允许用户任意设定短路电流计算的初值条件。可设定的选项包括: (1) 变比选择:1.0或正常变比; (2) 考虑充电电容与否; (3) 计及并联补偿与否; (4) 节点电压值; (5) 发电机功率因素。变压器变比增大时, 从本母线看出去的变压器变比增加了, 变压器支路的等值阻抗将增加, 短路电流将减小:反之, 变压器支路的等值阻抗将减小, 短路电流将增加。

2.2 电力系统短路电流国际计算方法

国标规定了短路电流的计算方法、计算条件。国标推荐的三相短路电流计算方法是等值电压源法, 其计算条件为: (1) 不考虑非旋转负载的运行数据和发电机励磁方式; (2) 忽略线路电容和非旋转负载的并联导纳: (3) 具有分接开关的变压器, 其开关位置均视为在主分接位置; (4) 不计弧电阻: (5) 35k V及以上系统的最大短路电流计算时, 等值电压源取标称电压的1.1, 但不超过设备的最高运行电压。

基于潮流的短路电流计算、经典短路电流计算方法以及用IEC推荐的方法计算结果也有所不同。经典计算方法所得的短路电流计算结果偏小, 有可能给系统埋下不安全的隐患, IEC方法与基于潮流的短路电流结果相差较小, 但不同区域的偏差各不相同, 也并不一定能反映系统的最大短路电流水平。若换一个思路, 改计算节点的最大短路电流为计算其最小等值阻抗, 则系统的最小等值阻抗是易于求取的, 且能符合系统实际的。

3 提高电力系统抗短路能力的策略

3.1 开展变压器绕组变形的诊断工作

电网经常由于雷击、继电保护误动或拒动等造成短路, 短路电流的强大冲击可能使变压器受损, 所以应从各方面努力提高变压器的耐受短路能力。通常变压器在遭受短路故障电流冲击后, 绕组将发生局部变形, 即使没有立即损坏, 也有可能留下严重的故障隐患。首先, 绝缘距离将发生改变, 固体绝缘受到损伤, 导致局部放电发生。当遇到雷电过电压作用时便有可能发生匝间、饼间击穿, 导致突发性绝缘事故, 甚至在正常运行电压下, 因局部放电的长期作用也可能引发绝缘击穿事故。其次, 绕组机械性能下降, 当再次遭受短路事故时, 将承受不住巨大的电动力作用而发生损坏事故。在实际工作中, 依据变压器绕组电容变化量来判断绕组是否变形的方法, 可以作为频率响应法的有益补充。尤其在频率响应法不具备条件的情况下, 可以通过横向、纵向对比积累的实测电容量, 及时掌握变压器绕组的工作状态, 以便降低事故发生的概率, 确保电网安全稳定的运行。

3.2 使用可靠的继电保护系统

系统中的短路事故是人们竭力避免而又不能绝对避免的事故, 对于已投入运行的变压器, 首先应配备可靠的供保护系统使用的直流电源, 并保证保护动作的正确性。结合目前运行中变压器杭外部短路强度较差的情况, 对于系统短路跳闸后的自动重合或强行投运, 应看到其不利的因素, 否则有时会加剧变压器的损坏程度, 甚至失去重新修复的可能。目前己有些运行部门根据短路故障是否能瞬时自动消除的概率, 对近区架空线或电缆线路取消使用重合问, 或者适当延长合间间隔时间以减少因重合闸不成而带来的危害, 并且应尽量对短路跳闸的变压器进行试验检查。

4 结语

电网经常由于雷击、继电保护误动或拒动等造成短路, 短路电流的强大冲击可能使变压器受损, 所以应从各方面努力提高变压器的耐受短路能力, 如果短路电流计算不当则有可能造成不必要的投资浪费, 因此需要选择合适的计算方法, 实际的电力系统短路防范工作应主要针对变压器部分进行。

摘要：在电力系统的设计和运行中, 不仅要考虑正常工作状态, 而且还必须考虑到发生故障时所造成的不正常工作状态。本论文在深入研究短路电流危害的基础上, 比较了不同短路电流计算条件对短路电流计算结论的影响, 并提出了几点提高电力系统抗短路能力的策略, 以期能为电网短路电流的防范提供更切合实际的方法和思路。

关键词：电力系统,短路电流,安全防范,电力网络