電力系統(tǒng)情況未知時(shí)接入系統(tǒng)方案短路分析

趙大偉，魏宏偉

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

0 引言

由于各個(gè)國(guó)家電力水平不盡相同，尤其是電網(wǎng)水平相對(duì)落后的第三世界國(guó)家，一些大功率設(shè)備接入后經(jīng)常出現(xiàn)接入點(diǎn)系統(tǒng)短路、容量達(dá)不到要求的情況，因此在國(guó)外項(xiàng)目中，短路分析尤為重要，系統(tǒng)短路分析也是評(píng)估接入方案供電能力的指標(biāo)。短路電流計(jì)算可以用于熔斷器的選型，防止設(shè)備燒壞，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)、新建站設(shè)備選型、運(yùn)行方式制定以及繼電保護(hù)整定等環(huán)節(jié)提供依據(jù)。

本文以某國(guó)120 kV變電站接入方案為例，在未知電力系統(tǒng)條件下，進(jìn)行初步的短路分析，并對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。

1 短路計(jì)算方法

1.1 標(biāo)幺值法

電力系統(tǒng)短路分析通常采用標(biāo)么值法。標(biāo)幺值是相對(duì)于某一基準(zhǔn)值而言的，同一有名值，基準(zhǔn)值選取不同，其標(biāo)幺值也不同。根據(jù)所選擇的基準(zhǔn)量，用標(biāo)幺值來表示電力系統(tǒng)中各元件的參數(shù)。標(biāo)幺值法在短路計(jì)算中大量應(yīng)用，其主要有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)三相電路的計(jì)算公式與單相電路的計(jì)算公式完全相同，線電壓的標(biāo)幺值與相電壓的標(biāo)幺值相等，三相功率的標(biāo)幺值和單相功率的標(biāo)幺值相等。

(2)只需確定各電壓等級(jí)的基準(zhǔn)值，而后直接在各自的基準(zhǔn)值下計(jì)算標(biāo)幺值，不需要折算參數(shù)和計(jì)算結(jié)果。

(3)對(duì)于低壓系統(tǒng)，功率的標(biāo)幺值遠(yuǎn)小于1。

(4)用標(biāo)幺值后，電力系統(tǒng)的元件參數(shù)比較接近，易于進(jìn)行計(jì)算和比較分析結(jié)果。

(5)可以省去公式中的比例系數(shù)，使計(jì)算簡(jiǎn)化。

1.2 各元件電抗標(biāo)幺值的計(jì)算

(1)三相繞組變壓器電抗標(biāo)幺值計(jì)算。

式中:UK1%，UK2%，UK3% 分別為各相的阻抗電壓百分比;UK(1－2)% ，UK(2－3)% ，UK(1－3)% 為每對(duì)繞組的阻抗電壓百分比。

三相繞組變壓器電抗標(biāo)幺值分別為

式中:XT1*，XT2*，XT3*為三相繞組變壓器電抗標(biāo)幺值;SB為系統(tǒng)基準(zhǔn)容量;SN為變壓器額定容量。

(2)架空線路電抗標(biāo)幺值計(jì)算。

架空線路電抗值為

式中:X為架空線路單位電抗;L為架空線路長(zhǎng)度。架空線路電抗標(biāo)幺值為

(3)系統(tǒng)阻抗標(biāo)幺值為

式中:SS為系統(tǒng)接入點(diǎn)短路容量。

2 國(guó)外電力工程項(xiàng)目收集資料問題

國(guó)外電力工程項(xiàng)目與國(guó)內(nèi)不同，在資料收集方面面臨如下幾個(gè)問題。

(1)由于國(guó)情和歷史各不相同，各國(guó)電力系統(tǒng)在運(yùn)營(yíng)管理等方面與國(guó)內(nèi)不同，在資料收集階段經(jīng)常出現(xiàn)找不對(duì)或找不全部門的情況，出現(xiàn)資料收集不全、甚至收集錯(cuò)誤等現(xiàn)象。

(2)國(guó)外項(xiàng)目籌備時(shí)間很長(zhǎng)，1個(gè)項(xiàng)目從規(guī)劃到正式實(shí)施往往相隔數(shù)年，早期收集的資料可能已發(fā)生變化，受工期制約往往不能及時(shí)更新。

(3)國(guó)外項(xiàng)目出國(guó)人數(shù)和時(shí)間受到限制，因語(yǔ)言不同而造成技術(shù)溝通效率較低，經(jīng)常將資料清單交給相關(guān)人員代為收集，也是資料不能及時(shí)提供的原因之一。

(4)國(guó)外項(xiàng)目受外部制約因素很多(如政治風(fēng)險(xiǎn)、市場(chǎng)需求變動(dòng)、經(jīng)濟(jì)形勢(shì)不穩(wěn)定、政策和法律變動(dòng)等)，而項(xiàng)目一旦實(shí)施就要求在最短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生效益，工期要求非常緊張，甚至存在邊設(shè)計(jì)邊施工的現(xiàn)象，工期的緊張也是造成資料不能及時(shí)更新或收集不到位的原因之一。

(5)由于國(guó)外項(xiàng)目建設(shè)環(huán)境復(fù)雜，不確定因素多，經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)計(jì)方案臨時(shí)調(diào)整的情況，這也是造成資料收集不全的重要原因。

由于受到國(guó)外工程項(xiàng)目客觀條件的限制，在設(shè)計(jì)中往往存在對(duì)對(duì)方電力系統(tǒng)不完全了解的情況，尤其是接入電力系統(tǒng)方案不穩(wěn)定，對(duì)設(shè)計(jì)影響非常大，有時(shí)要在未知電力系統(tǒng)條件下進(jìn)行接入系統(tǒng)方案分析。本文主要是針對(duì)此問題進(jìn)行探討。

3 電力系統(tǒng)情況未知時(shí)短路容量估算方法

(1)系統(tǒng)短路容量按上級(jí)變電站出口斷路器額定電流考慮，設(shè)上級(jí)變電站出口斷路器額定電流為Ir，額定電壓為UN，則系統(tǒng)短路容量為

(2)系統(tǒng)短路容量按無窮大考慮，則SS=∞ 。

(3)系統(tǒng)短路容量按經(jīng)驗(yàn)值考慮。

根據(jù)文獻(xiàn)［1］，系統(tǒng)短路容量經(jīng)驗(yàn)值為:

1)6～10 kV，系統(tǒng)短路容量經(jīng)驗(yàn)值為500 MV·A;

2)35 kV，系統(tǒng)短路容量經(jīng)驗(yàn)值為 1500 MV·A;

3)110 kV，系統(tǒng)短路容量經(jīng)驗(yàn)值為 8000 MV·A;

4)220 kV，系統(tǒng)短路容量經(jīng)驗(yàn)值為20000 MV·A。

4 算例

以作者做過的剛果(金)某礦業(yè)項(xiàng)目中的電力配套工程為例，詳細(xì)闡述短路計(jì)算方法，并將各種假設(shè)系統(tǒng)短路容量條件與真實(shí)系統(tǒng)短路容量計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。剛果(金)120 kV變電站主變壓器技術(shù)參數(shù)見表1(參照GB 6451—2008《三相油浸式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》)。

表1 主變壓器技術(shù)參數(shù)

(1)短路計(jì)算基本假設(shè)。

1)正常工作時(shí)，三相系統(tǒng)對(duì)稱運(yùn)行。

2)所有電源的電動(dòng)勢(shì)相位角相同。

3)電力系統(tǒng)中各元件的磁路不飽和，即帶鐵芯的電氣設(shè)備電抗值不隨電流大小發(fā)生變化。

4)不考慮短路點(diǎn)的電弧阻抗和變壓器的勵(lì)磁電流。

5)元件的電阻、負(fù)荷的影響、輸電線路的電容略去不計(jì)。

6)系統(tǒng)短路為金屬性短路。

(2)高壓短路電流計(jì)算一般只計(jì)算各元件的電抗，采用標(biāo)幺值進(jìn)行計(jì)算，為了計(jì)算方便，選取基準(zhǔn)容量SB=100 MV·A，基準(zhǔn)電壓分別為10.5 kV，37.0 kV，126.0 kV。

(3)計(jì)算變壓器各繞組電抗標(biāo)幺值。變壓器120 kV側(cè)繞組阻抗電壓百分?jǐn)?shù)

變壓器35 kV側(cè)繞組阻抗電壓百分?jǐn)?shù)

變壓器10 kV側(cè)繞組阻抗電壓百分比

則三繞組變壓器電抗標(biāo)幺值分別為

(4)計(jì)算線路阻抗標(biāo)幺值。

從剛果(金)電網(wǎng)120kV變電站引出1回架3×LGJ－150空線為新建的120kV變電站供電，架空線長(zhǎng)度為15 km，架空線路單位電抗為0.341，線路電抗值為

其標(biāo)么值為

(5)計(jì)算系統(tǒng)阻抗標(biāo)幺值。

在未知電力系統(tǒng)條件下，接入點(diǎn)處短路容量可作以下幾種假設(shè)。

1)系統(tǒng)短路容量按上級(jí)變電站出口斷路器額定電流考慮。由于接入剛果(金)電網(wǎng)120 kV電力系統(tǒng)，其出口斷路器額定電流為25 kA，所以系統(tǒng)短路容量估算

系統(tǒng)短路電抗標(biāo)幺值為

2)系統(tǒng)短路容量按無窮大考慮

上級(jí)系統(tǒng)短路容量按無窮大考慮，則SS=∞，系統(tǒng)短路電抗標(biāo)幺值為XS*=0。

3)系統(tǒng)短路容量按經(jīng)驗(yàn)值考慮

根據(jù)國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)值，110 kV系統(tǒng)短路容量為8000 MV·A，則系統(tǒng)短路電抗標(biāo)幺值為

(6)等值網(wǎng)絡(luò)。

系統(tǒng)短路容量按上級(jí)變電站出口斷路器額定電流25 kA考慮的系統(tǒng)等值網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)等值網(wǎng)絡(luò)

(7)短路計(jì)算。

1)d1點(diǎn)短路。

次暫態(tài)短路電流標(biāo)幺值為

次暫態(tài)短路電流有名值為

沖擊電流為

全電流最大有效值為

短路容量為

2)d2點(diǎn)短路。

次暫態(tài)短路電流標(biāo)幺值為

次暫態(tài)短路電流有名值為

沖擊電流為

全電流最大有效值為

短路容量為

3)d3短路。

次暫態(tài)短路電流標(biāo)幺值為

次暫態(tài)短路電流有名值為

沖擊電流為

全電流最大有效值為

短路容量為

系統(tǒng)阻抗按無窮大考慮與按經(jīng)驗(yàn)值考慮的計(jì)算過程相同。

5 計(jì)算結(jié)果比較

根據(jù)假定的系統(tǒng)容量不同，得出的各點(diǎn)短路電流和短路容量也不相同，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同假定條件下短路計(jì)算數(shù)據(jù)比較

6 結(jié)論

各國(guó)的電力系統(tǒng)情況各不相同，尤其是電力系統(tǒng)相對(duì)薄弱的第三世界國(guó)家，參照我國(guó)的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值或者按照系統(tǒng)無窮大考慮得出的結(jié)果與實(shí)際值偏差較大，采用上級(jí)變電站出口斷路器額定電流值推算系統(tǒng)短路容量得出的數(shù)據(jù)相對(duì)準(zhǔn)確。

系統(tǒng)短路容量對(duì)變電所高壓側(cè)影響較大，對(duì)于中壓側(cè)和低壓側(cè)影響較小，采用何種假定條件中低壓側(cè)短路容量和短路電流與實(shí)際值偏差不大，具有一定的參考價(jià)值。

［1］劉傳彝.電力變壓器設(shè)計(jì)計(jì)算方法與實(shí)踐［M］.沈陽(yáng):遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

［2］郭玲麗.境外電力工程項(xiàng)目投資風(fēng)險(xiǎn)分析及其防范措施研究［D］.北京:華北電力大學(xué)，2010.

［3］電力工業(yè)部電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，1998.