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看新型电力系统如何破解短路电流问题

发布于：2022-10-18 11:11:18 来自：电气工程/继电保护 [复制转发]

知识点：短路电流

短路电流是什么？

在电网运行的每一条线路和设备上都有电流的存在。通常情况下，电流从电源流出，经过输变电设备到达用电负荷，实现电力的传输。

但是，电流有个“偷懒”特性，喜欢抄近路。对于目前交流电网而言，正常情况下电流分三路（三相）分别流通，在流动时会遇到一定阻力。若此时两相之间或某相与地之间发生非正常连通，电流的流通阻力比正常线路中阻力小很多，电流就会喜欢走这条近路，直接从故障点流通，不再经过后续的输变电设备及负荷，便发生了“短路”。好比赶路的人一直走的是陡峭的山野小路，突然看到一条平坦、宽阔的大道，为了省力自然就选择了这条近路。

短路后的电流称为短路电流，它的大小取决于短路点距电源的电气距离。也就是说这条近路越短，阻碍就越小（即离电源越近，阻抗越小），流过的电流就越大。例如，在发电机端发生短路时，流过发电机的短路电流最大瞬时值可达额定电流的10至15倍。在大容量电力系统中，短路电流可达数万安。

短路电流是把“双刃剑”，既不可太大，也不能太小。

短路电流过大，会造成设备过热、损坏，或产生很大的电动力，导致设备变形、损坏。同时短路还会引起系统电压突然大幅度降低，导致供电中断。如果短路电流超过开关的额定开断能力，无法及时切除故障部分，可能导致故障范围进一步扩大。

短路电流过小，意味着该区域电网距离电源比较远，带负荷能力和电网的稳定性支撑能力比较差。同时也可能使得保护装置无法区分正常电流和短路电流，从而不能及时动作切断故障，给电网带来安全风险。

目前，浙江短路电流呈现出主网短路电流超标和局部区域短路电流不足并存的特征。在高压主网层面，浙江短路电流水平普遍偏高，尤其是在杭嘉湖等浙北区域以及特高压变压站附近，容易出现短路电流已接近或超过了开关的开断能力的情况。但是，在山区或海岛等偏远的中低压网络，也存在短路电流不足的场景。

温州南麂岛的风力发电设施｜龚迪阳摄

因此，如何将短路电流控制在合理的范围内，成为保障浙江电网发展和安全经济运行的迫切问题。

新型电力系统建设过程中，短路电流存在三个方面的问题。

1.评估和分析短路电流的难度增大

在传统电力系统中，短路电流主要来源于同步发电机，其大小由此类发电机的物理特性决定。同步发电机提供的短路电流一般可达到额定电流的10倍。

在新型电力系统中，系统的短路电流的来源发生了变化，由同步发电机和新能源共同提供。其中新能源机组通过电力电子变流器并网，其短路电流主要由变流器控制系统的人工算法决定，不同的厂家其算法也有差异。短路电流的来源增多，提供机理更为复杂，对评估和分析短路电流的能力提出更高要求。

2.短路电流超标风险持续增大

为满足持续增长的用电需求，电源规模不断增长，电网联系更加紧密。同时，新能源大量接入后，所提供的短路电流与传统同步发电机组叠加，使得短路电流总体水平呈现上升趋势，超标风险进一步增大。

以浙江为例，浙江的短路电流水平整体偏高，部分厂站短路电流裕度仅为1-2千安左右。在当前的电网结构下，新能源密集接入将提高接入点短路电流水平1-2千安，可能导致上述厂站的短路电流水平超标。

因此短路电流问题或将成为制约新能源进一步接入的关键因素之一。

3.新能源密集接入区域短路容量不足

短路电流的大小也决定着短路容量的大小。短路容量反映了电力系统中某一点供电能力的强弱，短路容量越大，短路点与电源之间的阻碍就越小，系统的带负荷能力和稳定支撑能力也就越强。好比用水泵给高楼供水，楼层越低，离水泵越近（短路点与电源之间的阻碍越小），水流就越大（短路容量越大）；如果增加几台水泵，相应的供水能力也会增强，水压将更稳定，此时系统也就变强了，具有更大的支撑能力。

由于电力电子变流器的电流耐受能力有限，新能源提供的短路电流通常不会大于1.2倍额定电流，远小于同步发电机组提供的短路电流。在新能源大规模接入的偏远地区，负荷距离电源较远，加之传统同步机组装机容量较低，可能出现电网较弱、短路容量不足的情况。这种情况在负荷较轻、同步发电机开机较少的运行时段尤为明显。

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