劉石川，慕 騰，閆桂紅，李小雨

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)電力系統(tǒng)智能化電網(wǎng)仿真企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010020；3.中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，成都 610021）

0 引言

為滿足蒙西地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展供電需求，保障能源基地開發(fā)與清潔電力外送，需要對內(nèi)蒙古電網(wǎng)進(jìn)一步升級改造，而提高電壓等級、形成特高壓主干網(wǎng)架，并與華北電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)特高壓交流聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)聯(lián)系結(jié)構(gòu)，相關(guān)課題已成為目前的主要研究方向之一。

2025年，內(nèi)蒙古電網(wǎng)全網(wǎng)負(fù)荷預(yù)計(jì)達(dá)50.5 GW，年均增速7.0%；而根據(jù)內(nèi)蒙古電網(wǎng)電源發(fā)展和布局課題研究成果，2025 年內(nèi)蒙古電網(wǎng)在計(jì)及在建、核準(zhǔn)、規(guī)劃共計(jì)48.8 GW 的基礎(chǔ)上，將新增火電裝機(jī)容量20 GW（達(dá)到66.778 GW），新增風(fēng)電裝機(jī)容量15 GW（達(dá)到33.132 GW）。目前內(nèi)蒙古電網(wǎng)大部分500 kV變電站短路電流開斷能力只有50 kA，難以應(yīng)對大量火電電源陸續(xù)投產(chǎn)后500 kV 層面短路電流劇增狀況，這將對電網(wǎng)的安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。短路電流超標(biāo)問題已成為限制內(nèi)蒙古電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，有必要對特高壓背景下內(nèi)蒙古電網(wǎng)限制短路電流措施進(jìn)行探討，為電網(wǎng)發(fā)展決策提供參考。

1 內(nèi)蒙古電網(wǎng)短路電流現(xiàn)狀及發(fā)展

1.1 電網(wǎng)短路電流現(xiàn)狀

根據(jù)近幾年內(nèi)蒙古電網(wǎng)運(yùn)行方式報(bào)告[1]，內(nèi)蒙古電網(wǎng)網(wǎng)內(nèi)最大短路電流如表1所示。

表1 近幾年內(nèi)蒙古電網(wǎng)網(wǎng)內(nèi)最大短路電流 kA

截至2019年，內(nèi)蒙古電網(wǎng)500 kV層面最大短路電流的母線基本為響沙灣和永圣域500 kV 母線。對于三相短路電流，2016、2017 年最大為永圣域500 kV 母線，2018、2019 年最大為響沙灣500 kV 母線；對于單相短路電流，2016—2019 年最大均為響沙灣500 kV母線，永圣域500 kV母線略低。2020年內(nèi)蒙古電網(wǎng)三相、單相短路電流最大母線均為永圣域500 kV母線，響沙灣500 kV母線短路電流略低。

可以看出，“十三五”期間內(nèi)蒙古電網(wǎng)短路電流最大值主要出現(xiàn)在響沙灣和永圣域500 kV 變電站。響沙灣500 kV變電站已完成斷路器升級，遮斷能力達(dá)到63 kA，但內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)部還有500 kV 變電站短路電流遮斷能力仍為50 kA；而不少站點(diǎn)如高新、永圣域、豐泉、汗海等500 kV 變電站，短路電流已達(dá)到斷路器額定遮斷容量的90%以上，需要盡快采取措施限制短路電流，以免對電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。

1.2 特高壓網(wǎng)架背景下短路電流發(fā)展情況

若2025 年內(nèi)蒙古電網(wǎng)將基于4 座特高壓變電站及其聯(lián)絡(luò)線形成內(nèi)蒙古電網(wǎng)特高壓主網(wǎng)[2-3]，并通過兩個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)與華北電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)1000 kV 交流互聯(lián)。特高壓變電站分別為：烏蘭察布1000 kV特高壓站、包頭1000 kV 特高壓站、鄂爾多斯1000 kV 特高壓站、呼和浩特1000 kV清水特高壓站，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

此方案中，內(nèi)蒙古電網(wǎng)通過4回1000 kV特高壓線路與華北電網(wǎng)互聯(lián)，4回500 kV線路退出運(yùn)行，內(nèi)蒙古電網(wǎng)外送能力大大增強(qiáng)，同時(shí)內(nèi)部網(wǎng)架更加堅(jiān)強(qiáng)。網(wǎng)內(nèi)短路電流較大的500 kV 站點(diǎn)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，內(nèi)蒙古特高壓網(wǎng)架按現(xiàn)有規(guī)劃方案建成后，網(wǎng)內(nèi)最大短路電流將達(dá)到66.63 kA（包頭特高壓變電站500 kV 母線），超過了500 kV 短路電流設(shè)備遮斷能力。短路電流較大的站點(diǎn)主要集中在鄂爾多斯、薛家灣、包頭等電源投產(chǎn)較多區(qū)域。汗海、豐泉500 kV 變電站由于與華北電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)通道退出運(yùn)行，500 kV母線短路電流增加有限?？傮w來看，內(nèi)蒙古電網(wǎng)特高壓網(wǎng)架形成后，全網(wǎng)500 kV短路電流水平有較大程度提升。

圖1 內(nèi)蒙古電網(wǎng)特高壓部分網(wǎng)架結(jié)構(gòu)示意圖

表2 內(nèi)蒙古電網(wǎng)網(wǎng)內(nèi)500 kV層面最大短路電流 kA

2 短路電流限制措施

目前，限制500 kV電網(wǎng)短路電流的措施主要有優(yōu)化或升級網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，調(diào)整網(wǎng)架運(yùn)行方式，電網(wǎng)設(shè)備升級、新設(shè)備應(yīng)用。3 種方式都可以限制短路電流，可結(jié)合實(shí)際情況（如原有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)可靠性要求、設(shè)備購買或升級費(fèi)用等）進(jìn)行選擇[4-5]。

2.1 優(yōu)化或升級網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

2.1.1 優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

在電網(wǎng)發(fā)展到一定程度后，可靠性冗余較大會(huì)增加短路電流。故在保證電網(wǎng)可靠運(yùn)行的情況下，可適當(dāng)優(yōu)化新建輸電線路，減小網(wǎng)絡(luò)緊密程度。內(nèi)蒙古電網(wǎng)特高壓網(wǎng)架形成后，內(nèi)部輸電網(wǎng)架完成500 kV 向1000 kV 升級，內(nèi)部原500 kV 輸電網(wǎng)絡(luò)可以適當(dāng)減弱。

2.1.2 優(yōu)化電源接入系統(tǒng)方式

通過優(yōu)化電源接入系統(tǒng)方式（如將新建大容量電廠接入最高一級電壓網(wǎng)絡(luò)、發(fā)電集群分散接入鄰近多個(gè)變電站等方式），可以一定程度降低短路電流。根據(jù)內(nèi)蒙古電網(wǎng)特高壓網(wǎng)架建設(shè)方案，已經(jīng)基本考慮將新建大容量電源分散接入500 kV變電站，這種情況下內(nèi)蒙古電網(wǎng)500 kV 層面短路電流水平依然較高，進(jìn)一步優(yōu)化電源接入系統(tǒng)方式的作用有限。

2.1.3 直流背靠背聯(lián)網(wǎng)

直流背靠背聯(lián)網(wǎng)能夠阻斷網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)間的交流聯(lián)系，在不影響站點(diǎn)間潮流輸送能力的情況下，增大站點(diǎn)的綜合阻抗。如果將短路容量貢獻(xiàn)較大的站點(diǎn)聯(lián)絡(luò)線改造為直流背靠背連接方式，可大幅降低站點(diǎn)短路電流。但是，該措施建設(shè)、運(yùn)營費(fèi)用較高，容易在電網(wǎng)內(nèi)部形成交直流并聯(lián)系統(tǒng)，增加了電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，因此一般用于大型成熟網(wǎng)絡(luò)之間的異步互聯(lián)，如渝鄂背靠背直流工程[6]，基本不用于交流網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部。

2.2 調(diào)整網(wǎng)架運(yùn)行方式

2.2.1 變電站母線分列運(yùn)行

將變電站母聯(lián)斷路器斷開，系統(tǒng)分列運(yùn)行，可提高系統(tǒng)阻抗，減小短路電流。但該措施以降低系統(tǒng)安全裕度為代價(jià)，特別是在輻射型、鏈?zhǔn)降染W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，如果出現(xiàn)嚴(yán)重故障，會(huì)形成孤網(wǎng)或造成系統(tǒng)解列。

2.2.2 電網(wǎng)分區(qū)、解環(huán)運(yùn)行

高一級電網(wǎng)加強(qiáng)聯(lián)系后，將次級電網(wǎng)分區(qū)、解環(huán)運(yùn)行，可減小短路電流。在內(nèi)蒙古電網(wǎng)特高壓網(wǎng)架形成后，各區(qū)域電網(wǎng)通過特高壓雙回線形成強(qiáng)聯(lián)系，可以考慮將原有各區(qū)域500 kV 聯(lián)絡(luò)線斷開，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)分區(qū)、解環(huán)運(yùn)行。

2.3 電網(wǎng)設(shè)備升級、新設(shè)備應(yīng)用

2.3.1 新增變電設(shè)備選用高阻抗變壓器

高阻抗變壓器通過增大系統(tǒng)阻抗來限制短路電流。阻抗增大使變壓器小型化，空載損耗和建設(shè)成本均降低，但會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)相角差增大，運(yùn)行損耗增加，機(jī)組穩(wěn)定性變差。另外，內(nèi)蒙古電網(wǎng)特高壓網(wǎng)架建設(shè)方案中，選用的主變壓器阻抗均為18%Uk（Uk為短路阻抗）。經(jīng)測算，在內(nèi)蒙古電網(wǎng)特高壓變電站改用（20%～22%）Uk高阻抗變壓器，能降低變電站及近區(qū)500 kV 母線短路電流約1 kA，作用有限。因此，內(nèi)蒙古電網(wǎng)需綜合考慮穩(wěn)定性及短路電流降低效果，可將采用高阻抗變壓器作為限制短路電流的輔助措施。

2.3.2 提高斷路器遮斷容量

若短路電流水平逼近斷路器的遮斷容量，可通過提高斷路器遮斷容量進(jìn)行解決，但沒有從本質(zhì)上降低短路電流，而是提高了短路電流越限的臨界值；隨著斷路器遮斷容量的提升，斷路器造價(jià)隨之增大，與之相關(guān)的變電設(shè)備也需要進(jìn)行改造，且工期較長。目前，內(nèi)蒙古電網(wǎng)500 kV層面斷路器開斷能力普遍僅有50 kA，有必要通過設(shè)備更新實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)500 kV層面斷路器開斷能力。

2.3.3 變壓器加裝中性點(diǎn)小電抗

變壓器加裝中性點(diǎn)小電抗可以有效降低單相短路電流，使得零序網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化。單相短路接地時(shí)，經(jīng)過小電抗的電流為零序電流的3倍，從而使中性點(diǎn)電位高于大地電位[6]。該方案投資小且施工便利，但無法限制三相短路電流，而內(nèi)蒙古電網(wǎng)三相短路電流問題較單相短路電流問題更突出，可考慮作為限制短路電流的輔助措施。

2.3.4 加裝串聯(lián)電抗器

加裝串聯(lián)電抗器是指將電抗器串聯(lián)接入短路電流限制回路中，以達(dá)到增加回路阻抗的目的。電抗器可分為不可控串聯(lián)電抗器和可控串聯(lián)電抗器。不可控串聯(lián)電抗器運(yùn)行方式簡單且安全可靠，但會(huì)增加損耗，并需要對繼電保護(hù)方案進(jìn)行更改；可控串聯(lián)電抗器對潮流分析和系統(tǒng)穩(wěn)定的影響很小，不需要更改保護(hù)方案，但從目前國內(nèi)已有的工程實(shí)踐來看，串聯(lián)電抗器投資多、占地廣[7]，在內(nèi)蒙古電網(wǎng)中不具備大規(guī)模采用的可能性。

2.3.5 加裝故障限流器

故障限流器的作用是當(dāng)線路經(jīng)過大電流時(shí)，將電阻串接在限制回路中。故障限流器種類有通過限流斷路器實(shí)現(xiàn)的故障限流器、正溫系數(shù)電阻故障限流器等。其中正溫系數(shù)電阻故障限流器具有可重復(fù)使用、可靠性高等特點(diǎn)，但在限制感性短路電流的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生過電壓，因此需要在電阻兩端并聯(lián)壓敏電阻。從目前國內(nèi)已有的工程實(shí)踐來看，故障限流器可靠性差、運(yùn)維復(fù)雜、投資多、占地廣、容量較小[8]，在內(nèi)蒙古電網(wǎng)中不具備大規(guī)模采用的可能性。

2.3.6 超導(dǎo)電網(wǎng)

超導(dǎo)具有高密度載流能力、零電阻、超導(dǎo)態(tài)/正常態(tài)轉(zhuǎn)變等特性，超導(dǎo)電力設(shè)備效率高、損耗小且占地少，應(yīng)用于電力系統(tǒng)，將對電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。例如超導(dǎo)故障限流器，當(dāng)發(fā)生故障且故障電流大于超導(dǎo)臨界電流時(shí)，超導(dǎo)具有較大的阻抗，使短路電流得到有效限制[9-10]。但目前超導(dǎo)電網(wǎng)設(shè)備極為昂貴且技術(shù)復(fù)雜，相關(guān)應(yīng)用不成熟，不具備在內(nèi)蒙古電網(wǎng)中大規(guī)模應(yīng)用的可能性。

綜上所述，在內(nèi)蒙古電網(wǎng)可采用的限制短路電流措施中，提高開關(guān)遮斷容量應(yīng)作為后續(xù)電網(wǎng)建設(shè)的基本任務(wù)；優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)分區(qū)、解環(huán)運(yùn)行可作為內(nèi)蒙古電網(wǎng)在特高壓網(wǎng)架背景下限制短路電流的主要措施，但是由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要有針對性地開展研究并制訂具體方案。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮其他降低短路電流水平的輔助措施。

3 內(nèi)蒙古電網(wǎng)限制短路電流措施研究

根據(jù)內(nèi)蒙古電網(wǎng)特高壓網(wǎng)架背景下短路電流計(jì)算結(jié)果，內(nèi)蒙古電網(wǎng)限制短路電流措施的研究重點(diǎn)在以下3 個(gè)區(qū)域：包頭、鄂爾多斯、呼和浩特特高壓站及其電網(wǎng)近區(qū)。

3.1 優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)措施擬定

（1）通過設(shè)備更新將內(nèi)蒙古電網(wǎng)所有500 kV層面斷路器遮斷能力提升至63 kA。

（2）調(diào)整包頭特高壓變電站接入方式：包頭特高壓站“雙∏”接入原德嶺山—春坤山500 kV 雙回線，新建德嶺山—梅力更500 kV 雙回線，維持原梅力更—包北500 kV單回線，形成德嶺山—包頭特高壓站—春坤山—包北—梅力更500 kV環(huán)網(wǎng)。

（3）調(diào)整鄂爾多斯特高壓變電站接入方式：鄂爾多斯特高壓站通過雙回500 kV線路接入響沙灣，新建鄂爾多斯特高壓站—過三梁—布日都500 kV雙回線，形成鄂爾多斯—響沙灣—布日都—過三梁500 kV環(huán)網(wǎng)。

（4）鄂爾多斯與包頭區(qū)域電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線響沙灣—高新500 kV雙回線退出運(yùn)行。

（5）包頭與呼和浩特區(qū)域電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線春坤山—武川500 kV雙回線退出運(yùn)行。

（6）鄂爾多斯、薛家灣與呼和浩特區(qū)域電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線響沙灣—永圣域500 kV雙回線退出運(yùn)行。

（7）新增高新—威俊單回500 kV線路，避免高新500 kV站成為末端電網(wǎng)。

（8）加強(qiáng)局部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：新增宏圖—烏蘭察布500 kV第三回線。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)調(diào)整結(jié)果如圖2所示。

圖2 內(nèi)蒙古電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)調(diào)整后示意圖

3.2 措施效果計(jì)算分析

在優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)措施的基礎(chǔ)上，對特高壓背景下內(nèi)蒙古電網(wǎng)500 kV層面短路電流進(jìn)行計(jì)算分析，網(wǎng)內(nèi)短路電流較高的500 kV 母線計(jì)算結(jié)果見表3。由計(jì)算結(jié)果看出，包頭特高壓、響沙灣、春坤山、永圣域等站點(diǎn)短路電流值下降比例較大，全網(wǎng)最大短路電流為呼和浩特特高壓站500 kV母線，其余所有母線短路電流均未越限。該措施有效限制了內(nèi)蒙古電網(wǎng)500 kV最大短路電流，全網(wǎng)主要500 kV站點(diǎn)短路電流水平下降。

3.3 措施適應(yīng)性分析

從計(jì)算結(jié)果看，雖然呼和浩特特高壓站500 kV母線短路電流計(jì)算值為62.19 kA，接近越限，但其余站點(diǎn)短路電流值均較小，且由于區(qū)域500 kV環(huán)網(wǎng)的存在，網(wǎng)架可靠性較高，如采取變電站500 kV 母線并列運(yùn)行措施，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，能避免形成孤網(wǎng)或末端鏈?zhǔn)诫娋W(wǎng)，可保證電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。通過優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)限制短路電流，能為內(nèi)蒙古電網(wǎng)進(jìn)一步采取限制短路電流措施打下基礎(chǔ)：即使內(nèi)蒙古電網(wǎng)短路電流仍有增長趨勢，也可采取變電站母線分列運(yùn)行、選用高阻抗主變壓器、加裝故障限流器、串聯(lián)電抗器等措施，進(jìn)一步限制短路電流，保證短路電流不會(huì)成為限制內(nèi)蒙古電網(wǎng)發(fā)展的瓶頸。

表3 特高壓網(wǎng)架背景下內(nèi)蒙古電網(wǎng)網(wǎng)內(nèi)500 kV層面最大短路電流

4 結(jié)語

隨著特高壓電網(wǎng)的建設(shè)，內(nèi)蒙古電網(wǎng)500 kV 短路電流將大幅增加，為限制短路電流，可考慮通過優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，采取逐步解環(huán)，在對特高壓變電站接入方案及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和局部加強(qiáng)后，將最終形成以包頭特高壓、鄂爾多斯特高壓、清水—烏蘭察布特高壓為中心的供電區(qū)域，分別在包頭、鄂爾多斯、薛家灣—呼和浩特—烏蘭察布3 個(gè)重要負(fù)荷區(qū)域構(gòu)建以特高壓變電站為支撐的1000 kV環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，保證該區(qū)域的供電可靠性，使內(nèi)蒙古電網(wǎng)輸電網(wǎng)架完成從500 kV 向1000 kV 的升級，同時(shí)也為內(nèi)蒙古電網(wǎng)限制短路電流并在未來采取進(jìn)一步的措施打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。