變電站設(shè)計中短路電流的計算與分析

吳浩

（江蘇省電力公司 蘇州供電公司，江蘇 蘇州 215000）

電力系統(tǒng)在運(yùn)行中相與相之間或者相與地之間（或中性線）之間發(fā)生非正常連接（短路）時流過的電流稱為短路電流。

短路電流計算是電力系統(tǒng)3大計算之一，是進(jìn)行電氣接線方式選擇、電氣設(shè)備選擇、繼電保護(hù)整定和校核的基礎(chǔ)。此變電站設(shè)計需要設(shè)計的內(nèi)容是：變電站圍墻內(nèi)的110 kV及10 kV配電裝置，主變壓器，10 kV電容器，自補(bǔ)裝置，站內(nèi)交直流電系統(tǒng)，控制保護(hù)，防雷接地等一、二次部分。文中設(shè)計的要求：主變壓器容量，由需用系數(shù)法計算；電壓等級，110/10 kV；110 kV進(jìn)線，2回電纜進(jìn)線；10 kV進(jìn)線，按要求得20回電纜出線（其中兩回為備用）。文中主要分析了變電站設(shè)計過程具體的短路電流計算方法。

1 概 述

電力系統(tǒng)中可能發(fā)生的短路故障，主要有三相短路、兩相短路和單相短路。一般情況下，三相短路電流都大于兩相和單相短路電流。在中性點(diǎn)直接接地的電網(wǎng)中，以一相對地的短路故障為最多，約占全部短路故障的90%，在中性點(diǎn)非直接接地的電力網(wǎng)絡(luò)中，短路故障主要是各種相間短路。發(fā)生短路時，由于電源供電回路阻抗的減小以及突然短路時的暫態(tài)過程，使短路回路中的電流大大增加，可能超過回路的額定電流許多倍。電力系統(tǒng)中出現(xiàn)短路故障時，系統(tǒng)功率分布的突然變化和電壓的嚴(yán)重下降，可能破壞各發(fā)電廠并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性，短路時電壓下降的愈大，持續(xù)時間愈長，破壞整個電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的可能性愈大。

在計算短路電流時，由于本次變電站設(shè)計屬于未知系統(tǒng)，所以我們把這個電源容量視為無窮大的電力系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)內(nèi)，當(dāng)某處發(fā)生短路時，電源電壓維持不變，即短路電流周期分量在整個短路過程中不衰減[3-4]。

2 短路電流計算的原則

1）計算短路電流用于驗(yàn)算電器和導(dǎo)體的開斷電流、動穩(wěn)定和熱穩(wěn)定時，應(yīng)按本工程的計劃內(nèi)容計算。一般應(yīng)以最大運(yùn)行方式下的三相短路電流為依據(jù)，如變電所一般以2臺或3臺主變壓器容量計算，并適當(dāng)考慮電網(wǎng)5～10年的遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃。

2）計算短路電流時，應(yīng)按可能發(fā)生最大短路電流的正常接線方式進(jìn)行計算。短路點(diǎn)應(yīng)選擇在短路電流為最大的點(diǎn)。

3）導(dǎo)體和電器的動穩(wěn)定、熱穩(wěn)定以及電器的開斷電流，一般按三相短路電流驗(yàn)算。

4）計算10 kV及以上高壓電網(wǎng)短路電流時，一般將原件的電阻忽略不計，如果短路電路中總電阻ΣR大于總電抗ΣX的1/3時，則線路和其他元件的有效電阻仍應(yīng)計入。

5）計算1 000 kV以下低壓電網(wǎng)短路電流時，一般不允許忽略短路回路中電氣設(shè)備的電阻值，如配電變壓器的電阻、低壓線路的電阻、不太長的母線和電纜、電流互感器的一次繞組、自動開關(guān)的過電流線圈及自動開關(guān)和隔離開關(guān)觸頭的接觸電阻等，因?yàn)檫@些電阻對低壓短路電流都有影響。

6）計算某一電壓級的短路電流時，應(yīng)用平均電壓。

7）計算高壓系統(tǒng)電路電流時，一般采用標(biāo)幺值法、短路功率法進(jìn)行計算。計算1 000 V以下低壓配電網(wǎng)的短路電流時，一般采用有名值方法計算，即電壓V，電流kA，電阻mΩ。

3 三相短路電流計算

圖1 等值電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram

設(shè)：當(dāng) Sj=100MVA，Uj=Uav=115/10.5 kV 時：

3.1 變壓器高電壓側(cè)K1點(diǎn)短路

則K1點(diǎn)短路時，短路回路最小總阻抗和最大總阻抗

最大短路電流次暫態(tài)值：

最大短路電流沖擊值：

最大次暫態(tài)短路功率：

最小短路電流次暫態(tài)值：

最小短路電流沖擊值：

最小次暫態(tài)短路功率：

3.2 變壓器的低壓側(cè)K 2點(diǎn)短路

K2點(diǎn)三相短路時：

則K2點(diǎn)短路時，短路回路最大總阻抗：

最小短路電流次暫態(tài)值：

最小短路電流沖擊值：

最小次暫態(tài)短路功率：

則K2點(diǎn)短路時，短路回路最小總阻抗：

最大短路電流次暫態(tài)值：

最大短路電流沖擊值：

最大次暫態(tài)短路功率：

綜上所述：

由上計算可得，三相短路情況發(fā)生時，變壓器高壓側(cè)最大短路電流為14.673 kA，最小短路電流為9.0827 kA；變壓器低壓側(cè)最大短路電流為27.399 kA，最小短路電流為14.159 kA[6]。

4 結(jié) 論

隨著國民經(jīng)濟(jì)和地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對電力的需求增長迅速。變電站升級改造和變電站擴(kuò)容改造已成為供電公司的重要規(guī)劃內(nèi)容，由于變電站改造都將改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改變必將影響各個節(jié)點(diǎn)的短路電流。準(zhǔn)確地進(jìn)行短路電流計算就能根據(jù)變電站電力系統(tǒng)的實(shí)際情況合理地確定限制短路電流的方案，或者限制某種運(yùn)行方式的出現(xiàn)，得到既可靠又經(jīng)濟(jì)的主接線方案。

總之，在評價和比較各種主接線方案選出最佳方案時，短路電流計算是一項(xiàng)很重要的基礎(chǔ)性工作。因此，在電力設(shè)計中選擇電氣設(shè)備必須計算短路電流，短路電流的計算是電氣專業(yè)設(shè)計不可缺少的環(huán)節(jié)，是電力設(shè)計中最重要的計算之一。文中通過短路電流的計算，為變電站設(shè)計中電氣設(shè)備的選擇和繼電保護(hù)整定墊定了基礎(chǔ)。

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