短路計算中并聯(lián)電容以及充電功率的影響研究

龍霏，張軒，林建熙，康李一，葛夢昕，樊友平

(1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510600；2. 武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

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短路計算中并聯(lián)電容以及充電功率的影響研究

龍霏1，張軒1，林建熙1，康李一2，葛夢昕2，樊友平2

(1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510600；2. 武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

摘要：從理論上分析了并聯(lián)補償電容和線路充電功率對短路電流計算結(jié)果的影響，選取某地區(qū)電網(wǎng)“夏大方式”的計算模型和數(shù)據(jù)進行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，計及并聯(lián)電容、充電功率的影響時，短路電流的計算結(jié)果均會偏小，驗證了理論分析中所得的變化規(guī)律。分析并找出本地區(qū)計算結(jié)果偏差比較大的廠站及偏差原因。最后建議各個電力部門在進行電網(wǎng)規(guī)劃、運行時要注意協(xié)調(diào)配合，避免進行短路電流計算時未考慮并聯(lián)電容或充電功率導(dǎo)致計算值偏于樂觀而導(dǎo)致實際運行中短路電流水平超標(biāo)現(xiàn)象，提升了短路電流理論計算值與實際運行值的契合度。

關(guān)鍵詞：短路電流；計算模型；充電功率；并聯(lián)電容；電網(wǎng)規(guī)劃

短路電流計算是電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計、繼電保護整定計算、電氣設(shè)備選擇校驗等工作的基礎(chǔ)，其計算結(jié)果的精確性將直接影響整個電網(wǎng)的安全運行。因此短路電流計算是電力系統(tǒng)分析最重要的內(nèi)容之一。

目前主要應(yīng)用BPA電力系統(tǒng)分析軟件對廣東電網(wǎng)進行短路電流計算。使用BPA程序進行短路電流計算時，采用等效電壓源法來計算短路電流[1-4]，初始條件的設(shè)置主要包括：是否基于潮流，是否考慮線路充電功率，是否考慮負荷的動態(tài)、靜態(tài)模型，正序是否考慮無功補償，是否忽略非標(biāo)準(zhǔn)變比等[5-7]。

電網(wǎng)不同部門在進行短路電流計算時，由于計算時所關(guān)注的重點不同，因此進行短路電流計算時初始條件的設(shè)置往往不同[8-9]。對于短路電流水平裕度較大的站點，不同初始條件下的計算差別對電網(wǎng)運行的影響較?。欢鴮τ诙搪冯娏魉皆６容^低的站點，初始條件設(shè)置的差異可能導(dǎo)致有些部門算出的短路電流在允許范圍內(nèi)，而實際中的短路電流已經(jīng)超過了開關(guān)遮斷容量。因此需要對于不同初始條件下的短路電流計算的偏差值進行對比研究，使其計算結(jié)果更接近于實際值，避免短路電流計算偏于保守而導(dǎo)致實施限流措施中的投資浪費，以及避免短路電流計算偏于樂觀可能對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行造成的影響[10-11]。

本文研究短路電流計算中初始條件設(shè)置的不同導(dǎo)致計算結(jié)果的偏差對地區(qū)電網(wǎng)的影響，主要包括是否計入變電站并聯(lián)電容以及是否計入線路充電功率，結(jié)合機理分析以及仿真分析，根據(jù)實際電網(wǎng)的站點情況以及地理接線圖，分析了計算結(jié)果偏差比較大的站點及其偏差原因，使理論計算的短路電流結(jié)果與實際情況更為契合，避免因初始條件設(shè)置中未計并聯(lián)電容或充電功率的影響，導(dǎo)致計算結(jié)果偏于保守，從而導(dǎo)致投資浪費情況。研究結(jié)果能為后續(xù)電網(wǎng)中限流措施的規(guī)劃提供技術(shù)參考。

1變電站模型簡介

表1計及并聯(lián)補償電容前后500 kV站點等值阻抗和短路電流計算結(jié)果

廠站名等值阻抗/Ω不考慮并聯(lián)電容考慮并聯(lián)電容等值阻抗差值/Ω短路電流/kA不考慮并聯(lián)電容考慮并聯(lián)電容短路電流差值/kA短路電流差異率/%A5.6446.1560.51251.15146.893-4.258-8.32B5.6176.3710.75451.39245.316-6.076-11.82C5.5086.0920.58452.41147.390-5.021-9.58D5.3675.7220.35553.78550.446-3.339-6.21E5.2855.7200.43554.62350.474-4.149-7.60F5.4966.2720.77552.52646.027-6.499-12.37G5.3525.8800.52953.94249.095-4.847-8.99H5.1495.6570.50756.05751.030-5.027-8.97I5.4925.9480.45752.56348.527-4.036-7.68J5.5616.3390.77851.91045.542-6.368-12.27K5.6006.0570.45751.54647.659-3.887-7.54L5.5115.7490.23852.38150.211-2.170-4.14M5.6826.1790.49750.80146.716-4.085-8.04N5.2035.9530.75055.47648.498-6.978-12.58

圖1為不考慮變電站并聯(lián)補償電容器組以及線路充電功率的500 kV變電站正序等值網(wǎng)絡(luò)。

圖1　500 kV變電站正序等值網(wǎng)絡(luò)

圖中XT1為變壓器T形等值電路的正序電抗，變電站主變越多該值越小；XHTS1為高壓母線對地正序電抗，表征與該母線相連的所有高壓站點的轉(zhuǎn)移電抗大小，即高電壓等級電網(wǎng)間電氣距離，高電壓等級電網(wǎng)電氣聯(lián)系越緊密，該值越??；XLTS1為低壓母線對地正序阻抗，表征與低壓母線相連的所有站點的轉(zhuǎn)移電抗大小，即低壓電網(wǎng)間電氣距離，低壓電網(wǎng)電氣聯(lián)系越緊密，該值越小；UHS1和ULS1分別為高壓側(cè)系統(tǒng)等值電壓源、低壓側(cè)系統(tǒng)等值電壓源。

由于潮流計算大多使用大負荷時的計算網(wǎng)絡(luò)，所以500 kV變電站內(nèi)的無功補償裝置均為容性補償裝置，即并聯(lián)補償電容器組。裝設(shè)并聯(lián)補償電容器組的目的是補償電力系統(tǒng)感性無功功率，以提高功率因數(shù)，改善電壓質(zhì)量，降低線路損耗[12-13]。

2并聯(lián)電容的影響

2.1機理分析

500 kV變電站中的并聯(lián)電容器均裝設(shè)于主變壓器的三次側(cè)，采用雙星形或單星形接線[14]，因此對于所研究的500 kV站點來說，計及并聯(lián)補償電容器組僅會影響與低壓側(cè)母線相連的轉(zhuǎn)移電抗大小。

2.1.1不計并聯(lián)電容影響

圖2為不計并聯(lián)電容時低壓側(cè)支路正序等值網(wǎng)絡(luò)。其中短路故障點為500 kV側(cè)母線處，短路類型為三相短路；電抗參數(shù)為同一基準(zhǔn)容量SB下的標(biāo)幺值。以下各等值網(wǎng)絡(luò)的條件與此相同。

E″—短路計算時的等效電壓源。圖2　不計并聯(lián)電容低壓側(cè)支路正序等值網(wǎng)絡(luò)

不考慮變電站并聯(lián)補償時，低壓側(cè)支路流入故障點處的短路電流有名值如下式所示，其中UB為故障點處的基準(zhǔn)電壓。

(1)

2.1.2計及并聯(lián)電容的影響

圖3為計及并聯(lián)電容低壓側(cè)支路正序等值網(wǎng)絡(luò)，XC為站點并聯(lián)電容等值電抗。

圖3　計及并聯(lián)電容低壓側(cè)支路正序等值網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)計及變電站并聯(lián)電容器組的影響時，故障點處的短路電流有名值

(2)

計算可知I″k1

2.2電網(wǎng)仿真分析

運用BPA軟件，選取“夏大方式”的某地區(qū)電網(wǎng)計算模型和數(shù)據(jù)，分析無功補償對短路電流計算的影響，對短路電流裕度較小的500 kV變電站進行仿真分析。

2.2.1電網(wǎng)仿真數(shù)據(jù)

在是否計及變電站并聯(lián)補償電容下的電網(wǎng)短路點等值阻抗以及短路電流計算結(jié)果見表1。

2.2.2仿真結(jié)果分析

由表1的仿真結(jié)果可以得出，與不考慮并聯(lián)電容影響比較，考慮并聯(lián)電容時的短路點的等值阻抗較大，短路電流計算值較小，符合計算的分析結(jié)果。

由表1中短路電流計算值的差值以及差異率可知，并聯(lián)電容的計及與否對短路電流的計算值影響較大，考慮并聯(lián)電容影響的短路電流平均值較不考慮并聯(lián)電容的短路電流計算結(jié)果小4.9 kA，平均差異率為-9.2%。

其中，N、F、J、B等站點偏差在6 kA以上，差異率達到了12%左右。

如圖4所示，偏差和差異率較大的這幾個站點處于負荷中心區(qū)域，主變壓器無功損耗和下送無功壓力較大，為維持地區(qū)電網(wǎng)無功平衡，容性無功補償容量需求較大，因此站點的容性無功補償設(shè)備配置比例較高，從而使得這些站點短路電流計算值受并聯(lián)電容的影響較大。

圖4　地區(qū)電網(wǎng)部分網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

從圖4可知，這些站點的電氣聯(lián)系也較為緊密，進一步增加了短路電流計算時變電站容性無功補償對短路電流計算值的影響。

3線路充電功率的影響

線路太長時，會產(chǎn)生對地電容，由線路的對地電容電流所產(chǎn)生的無功功率，稱為線路的充電功率，反映載流線路周圍產(chǎn)生的磁場效應(yīng)[15]。

3.1機理分析

將反映載流線路周圍產(chǎn)生的磁場效應(yīng)的線路總導(dǎo)納的1/2分別接在電路的始、末端，得到線路的等值電路。發(fā)生短路故障時，與母線相連的高、低壓側(cè)支路的等值電抗均會受到線路充電功率的影響。3.1.1高壓側(cè)支路不計充電功率的影響

表2計及充電功率前后500kV站點等值阻抗和短路電流計算結(jié)果

廠站名等值阻抗/Ω不考慮充電功率考慮充電功率等值阻抗差值/Ω短路電流/kA不考慮充電功率考慮充電功率短路電流差異/kA短路電流差異率/%A5.6445.8240.18051.15149.567-1.584-3.10B5.6175.8970.28051.39248.956-2.436-4.74C5.5085.7150.20852.41150.510-1.901-3.63D5.3675.5170.15053.78552.318-1.467-2.73E5.2855.4470.16254.62352.995-1.628-2.98F5.4965.8350.33852.52649.474-3.052-5.81G5.3525.5510.20053.94251.997-1.945-3.61H5.1495.3630.21456.05753.828-2.229-3.98I5.4925.6650.17352.56350.956-1.607-3.06J5.5615.7370.17651.91050.318-1.592-3.07K5.6005.7810.18251.54649.927-1.619-3.14L5.5115.6940.18352.38150.698-1.683-3.21M5.6825.8840.20250.80149.066-1.735-3.42N5.2035.3800.17655.47653.659-1.817-3.28

圖5為不計線路充電功率時高壓側(cè)支路正序等值網(wǎng)絡(luò)，XL1為輸電線路正序等值電抗。為了便于分析，將XHTS1拆分計算，虛擬一變量XHT1，滿足XL1+XHT1=XHTS1。

圖5　不計充電功率高壓側(cè)支路正序等值網(wǎng)絡(luò)

不考慮線路充電功率時，500 kV側(cè)相連的系統(tǒng)流入故障點處的短路電流有名值

(3)

3.1.2高壓側(cè)支路計及充電功率的影響

圖6為計及線路充電功率時高壓側(cè)支路正序等值網(wǎng)絡(luò)，其中XQ為線路一側(cè)對地電容正序等值電抗。

圖6　計及充電功率高壓側(cè)支路正序等值網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)僅考慮故障側(cè)的充電功率時，與500 kV側(cè)相連的系統(tǒng)流入故障點處的短路電流有名值

(4)

式中：QL為線路每一側(cè)的充電功率有名值。

當(dāng)計入線路兩側(cè)的充電功率，即忽略靜態(tài)負荷時，故障點處的短路電流有名值

(5)

其中a1與XHT1、XL1和XQ有關(guān)，并且滿足a1<1。分析可知：

(6)

3.1.3低壓側(cè)支路不計充電功率的影響

圖7為不計線路充電功率時低壓側(cè)支路正序等值網(wǎng)絡(luò)，XL1為輸電線路正序等值電抗。為了便于分析，將XLTS1拆分計算，虛擬一變量XLT1，滿足XL1+ XLT1=XLTS1。

圖7　不計充電功率低壓側(cè)支路正序等值網(wǎng)絡(luò)

不考慮線路充電功率時，低壓側(cè)相連的系統(tǒng)流入故障點處的短路電流有名值

(7)

3.1.4低壓側(cè)支路計及充電功率的影響

圖8為計及線路充電功率時低壓側(cè)支路正序等值網(wǎng)絡(luò)。

圖8　計及充電功率低壓側(cè)支路正序等值網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)僅考慮故障側(cè)的充電功率時，與低壓側(cè)相連的系統(tǒng)流入故障點處的短路電流有名值

(8)

計算可知I″k1

(9)

其中a2與XLT1、XL1、XQ以及XT1有關(guān)，并且滿足a2<1。分析可知：

(10)

因此當(dāng)計入線路兩側(cè)充電功率時，短路故障點等值阻抗將增大，短路電流計算結(jié)果將偏小。

3.2電網(wǎng)仿真分析

采用“夏大方式”的某地區(qū)電網(wǎng)計算模型和數(shù)據(jù)，運用BPA軟件，分析線路充電電容對短路電流計算的影響，在地區(qū)電網(wǎng)中選出短路電流裕度較小的500 kV變電站進行仿真分析。

3.2.1電網(wǎng)仿真數(shù)據(jù)

地區(qū)電網(wǎng)在是否計及線路充電功率的短路點等值阻抗、短路電流計算結(jié)果見表2。

3.2.2結(jié)果分析

由表2的仿真結(jié)果可以看出，與不考慮線路充電功率相比較，考慮充電功率時短路點的等值阻抗較大，短路電流的計算值較小，與計算的分析結(jié)果一致。由表中短路電流計算值的差值以及差異率可知，充電功率的計及與否對短路電流的計算值影響較小，考慮充電功率的影響短路電流值較不考慮充電功率的計算結(jié)果小1.8 kA，平均差異率為-3.5%。

偏差量較大的站點包括F、B、H，這些站點的計算偏差量在2 kA以上。

圖9為F站及附近站點的地理接線圖，由圖9可知，F(xiàn)站的出線多達11回。

圖9　500 kV F站點進出線示意圖

圖10是B站及附近站點的地理接線圖，圖中BJT是B站內(nèi)的跳通點，其作用是限制B站的短路電流。由圖10可知，B站有7回出線，且B站與F站相連，電氣距離近，F(xiàn)站會對B站產(chǎn)生很大影響。

圖10　500 kV B站點進出線示意圖

圖11是H站及附近站點地理接線圖，XJT是M站內(nèi)的跳通點，從圖11可知，H站有7回出線，且存在多回長距離的輸電線路。

圖11　500 kV H站點進出線示意圖

分析可知，由于這些站點進出線回路數(shù)較多，且存在遠距離的輸電線路，造成了這些站點的線路充電功率較大，因此短路電流計算受充電功率的影響較大。

4結(jié)論與建議

通過對比計入并聯(lián)補償電容以及線路充電功率影響與否的500 kV地區(qū)電網(wǎng)短路電流的仿真結(jié)果，本文得出了以下結(jié)論：

a) 短路電流計算程序中初始條件設(shè)置的改變會對計算結(jié)果造成影響。計及并聯(lián)電容或線路充電功率時，電網(wǎng)等值阻抗都會增大，短路電流的計算值減小。在實際電網(wǎng)中考慮這兩個因素的影響時，廠站的并聯(lián)容性無功補償設(shè)備配置或線路充電功率越大，計算時短路電流減小量越大。

b) 各個電力部門在進行電網(wǎng)規(guī)劃、運行時要注意協(xié)調(diào)配合，對于處于負荷中心區(qū)域的站點，并聯(lián)電容的影響較大，對于出線較多且存在長距離輸電線路的站點，充電功率的影響較大。對這些站點進行短路電流計算時，避免出現(xiàn)因未計并聯(lián)電容或充電功率的影響導(dǎo)致計算結(jié)果偏于保守，從而導(dǎo)致實施限流措施的資源浪費情況。

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Research on Influence of Shunt Capacitor and Charging Power in Short-circuit Calculation

LONG Fei1, ZHANG Xuan1, LIN Jianxi1, KANG Liyi2, GE Mengxin2, FAN Youping2

(1. Electric Power Dispatching Control Center of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510600, China; 2.School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan, Hubei 430072, China)

Abstract：This paper analyzes influence of shunt compensation capacitor and charging power of the line on calculation result of short-circuit current in theory and selects calculation model and data of maximum operational mode in summaer in some regional power grid for simulating analysis. Simulation results indicate that calculation result of short-circuit current may be relatively small when considering influence of shunt capacitor and charging power which verifies changing laws from theoretical analysis. It also analyzes and finds out power plants and stations with larger deviations of calculation results and reasons for deviations. Finally, it suggests electric power departments to pay attention to coordination and cooperation when carrying out power grid planning and operation so as to avoid short-circuit current exceed the standard in practical operation when making calculation on short-circuit current without considering shunt capacitor and charging power and promote integrating degree of theoretical calculation value and actual operational value.

Key words：short-circuit current; calculation model; charging power; shunt capacitor; power grid planning

收稿日期：2015-11-24修回日期：2016-04-19

基金項目：廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項目(036000QQ00140003)

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.06.011

中圖分類號：TM713

文獻標(biāo)志碼：B

文章編號：1007-290X(2016)06-0061-06

作者簡介：

龍霏(1985)，女，湖南長沙人。工程師，工學(xué)碩士，主要從事電力調(diào)度系統(tǒng)運行方面的工作。

張軒(1983)，男，河北石家莊人。高級工程師，工學(xué)碩士，主要從事電力系統(tǒng)運行控制及管理工作。

林建熙(1987)，男，廣東陸豐人。工程師，工學(xué)碩士，主要從事電力系統(tǒng)運行分析與控制工作。

(編輯霍鵬)