500kV环网站点短路电流超标解决方案研究与应用

1 引言

电力系统中短路电流超标可能导致断路器拒动、设备损毁，从而使事故扩大，造成电气设备损坏、触电事故等，同时短路高温引起火灾对人员和财产构成严重威胁，停电造成的生产中断给企业生产带来重大经济损失。根据GB/T-15544 与GB/T-11022 标准，500kV系统短路电流限值通常为 50～63kA^[1][2]∘ 。环网结构因多电源并联供电，故障时电流叠加更易超标。因此，解决短路电流超标问题具有重要工程意义。

2 短路电流抑制方法对比分析

2.1 优化电网结构

通过重构电网拓扑降低短路电流路径的并联度[6]。 ① 分网运行：将闭环网络拆解为独立辐射子网，减少区域间的电气联系，提升系统阻抗，降低短路电流叠加效应； ② 分层分区运行：按电压等级或供电范围划分电网层级和区域，限制短路电流跨层级/区域扩散； ③ 母线分段运行：正常运行时闭合，短路时通过广域保护系统检测故障并自动解列母线，缩小短路电流流通范围； ④ 优化电源布局：分散电源接入位置，将大型火电、水电分别接入不同分区的高压母线，避免多电源集中向同一短路点馈入电流。

优化网架方式仅需调整运行方式，可有效降低短路电流且改造成本低，但同时削弱电网电气联络，需配置备用自投装置可能降低供电可靠性，且潮流重构可能引发电网损耗增加与暂态失稳风险等。

2.2 设备限流改造

设备限流改造的主要原理是通过串联高阻抗设备或快速开断装置主动限制短路电流幅值，现主要有以下方法。

① 线路串联电抗器：将电抗器串联于线路中，通过增大短路回路阻抗，抑制电流上升速率； ② 高阻抗变压器：提升变压器短路阻抗至 18% 以上，从而阻断短路电流传递路径。 ③ 固态开关限流保护器：基于半导体器件微秒级（150 微秒内）故障电流切断与电弧抑制，避免传统机械开关燃弧风险。

设备限流改造的方法技术成熟度高，适用于中高压电网改造，串联电抗器与高阻抗变压器增加正常运行损耗，需配套无功补偿设备；另外固态开关成本较高，且依赖通信系统协同控制，可能降低供电可靠性。

2.3 新型限流技术应用

新型限流技术融合了材料学与电力电子技术，突破传统限流瓶颈。目前新技术设备主要有快速开关与限流电抗器组合技术、超导限流技术、磁路控制型限流器等技术方法。

① 快速开关+限流电抗器：采用电磁斥力机构实现毫秒级分闸（全开断时间≤15ms），动态投入限流电抗器抑制电流，在故障初期抑制电流峰值[5]； ② 超导限流技术：如YBCO涂层导体，在短路时自动切换为高阻抗态（响应时间 <5ms ），正常运行时零损耗[3]。 ③ 磁路控制型限流器：该技术基于三相电流不平衡磁通实时生成自适应限流阻抗，稳态损耗趋近于零[4]。

新型限流技术具有响应速度快，环保兼容性强，且超导与磁控技术实现“零损耗运行”，契合“双碳”目标等优势；但超导限流器依赖液氮低温系统，运维复杂且成本高昂，而磁控限流器大容量设计难度大（500kV 应用尚未成熟），快速开关需双套保护冗余，增加系统复杂度[8]。

3 贵州某 500kV 环网站点实践案例

3.1 问题描述

贵州某 500kV 环网站点 A 站点，现状短路电流达到 52kA（远景55kA），由于该站点原有断路器设备开断能力仅为50kA，存在安全风险。因此提出通过更换断路器开关、加装串抗、优化网架结构等方案解决短路超标问题。

3.2 方案比选

1）更换断路器

站点 A 共有 500 千伏敞开式 SF6 断路器 14 组、半封闭式组合电气设备（H-GIS）1组。15 组开关中，有 9 组开关的额定短路耐受电流为 50kA，存在超设备耐受能力无法开断短路电流风险，需进行更换。更换综合费用约 2000 万。

2）加装串联电抗器

对 A 站点 500kV 线路分别增加线路串抗进行短路计算。根据计算结果，每增加 10Ω线路串抗，A 站点三相短路电流削减约 0.5～1.5kA ，降幅较小且随着线路串抗增加短路电流削减效果逐步减弱。

目前串抗设备费用约 10Ω/1800 万元，考虑增加场地、施工、其他站内配套设备，费用约为 3500 万元。由下表可知，若满足短路电流发展情况，需增串抗总规模约 40Ω，需投资费用约1.4 亿元[9]。

3）优化电网结构

考虑降低短路电流的方法有[7]：线路断开作为备用线路，站外线路改接后跳通，线路串内导通跳出母线等。其中线路站外跳通方案及串内导通方案可实施性较强，可有效降低短路电流，但正常方式下存在潮流迂回、网损增加、线路过长运行风险增加，且断面送电能力减弱，无法满足电源送出需求。

3.3 实施结论

通过对各类降低短路电流的方案对比论证，可得出以下结论：更换断路器，可有效提升短路能力，不影响断面送电能力，适应性强且经济性较好；串联电抗器，降低短路电流效果不明显，可实施性差，且成本过高经济性较差；网架优化，降低短路效果明显，但削弱断面输电能力，降低设备利用率，潮流迂回且运行风险增加等多种问题。

4 总结与展望

4.1 总结

通过研究分析解决短路电流超标的方法及案例实施方案，得出以下结论：更换断路器与网架优化等传统方法，可以经济有效地解决短路超标问题；串联电抗器受限于成本与降流效果，工程适用性较低；快速开关组合、超导限流等新技术仍需突破成本与材料瓶颈等问题。

4.2 展望

未来短路电流抑制将向智能化、新材料和新能源适配方向突破：智能化方面，基于AI 算法实现动态限流与预测性维护；新材料方面，高温超导技术降低运维成本并推动规模化应用，磁控限流器提升大电网场景适应性；构建高压快速开关+低压固态保护混合方案，适配新能源接入场景。另外，结合多目标优化算法平衡安全、经济与环保，构建适应新型电力系统的综合防护体系，实现低碳高效发展[10]。

参考文献

[1]GB/T15544-2023，三相交流系统短路电流计算[S].

[2]GB/T11022-2020，高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求[S]

[3]张占奎等.超导限流器在500kV 电网的应用研究[J].电网技术，2024.

[4]王磊.磁控限流器阻抗生成机理及试验验证[J].电力系统自动化，2023.

[5]IEEEPowerSystemEngineeringCommittee.*Short-CircuitCurrentLimitingDevicesinP owerSystems*.IEEEStdC37.301-2020.

[6] 李立浧， 张勇军. 电力系统短路电流控制技术综述[J]. 电力系统自动化，2022，46（10）：1-12.

[7]国家电网公司.Q/GDW11742-2017《电网短路电流限制技术导则》[S].2017.

[8]ZhangY.，etal."ApplicationofSuperconductingFaultCurrentLimiterin500kVGrid."*IEE ETrans.Appl.Supercond.*，2023，33（5）：1-5.

[9]南方电网科学研究院.高压电网串联电抗器经济运行白皮书[R].2024.

[10] 王成山， 等. 基于多目标优化的短路电流抑制策略[J]. 中国电机工程学报，2023，43（15）：5678-5690.