供配電系統短路電流及其計算

田萬春

(中國建材國際工程集團有限公司,上海 200063)

供配電系統短路電流及其計算

田萬春

(中國建材國際工程集團有限公司,上海 200063)

電力系統短路電流計算值是選擇電氣元件短路承受能力、開關分斷能力及校驗電氣元件動穩定、熱穩定的基本依據,也是作為電力系統繼電保護整定值的主要依據。因此,電力系統短路電流的計算,在電氣元件選型和系統設計過程中更為重要。

短路電流; 防范措施; 計算方法

我國地域廣闊,電力系統網絡龐大,企業數量眾多,操作人的技術水平也參差不齊,各種各樣的電氣故障每天都在發生,其中短路是危害最大的一種。短路時會產生很大的熱量和電動力能使其他元件損壞;短路時短路電路中的電壓要降低,會影響其他電氣設備的正常運行;短路時保護繼電裝置動作會造成大面積的停電事故,而且越靠近電源停電范圍越大;嚴重的短路可能影響整個電力系統的穩定性,可使并列運行的發電機組失去同步,造成系統解列,可見短路造成的后果十分嚴重。供配電系統短路還可能打亂工業企業的連續性生產,造成大量次品、廢品產生,同時下級電網的短路有時會波及到配電系統的上一級系統,造成多米諾式的連鎖故障跳閘,前幾年包括印度、俄羅斯等都發生過類似的大面積性的全國停電,造成重大經濟損失。

1 短路的類型及防范短路電流的措施

1.1 短路的類型

在三相系統中可能發生三相短路、兩相短路、單相對地短路和兩相接地短路,如圖1所示。其中三相短路屬于對稱性短路,其他幾種類型短路屬于不對稱短路。在電力系統中發生單相短路的幾率最大,也是工業企業最常見的短路類型;而發生三相短路的可能性最小,通常情況下,發生三相短路的電流最大,造成的危害也最嚴重。但當短路點發生在發電機附近時,兩相短路電流可能大于三相短路電流;當短路點靠近中性點接地的變壓器時,單相短路電流也有可能大于三相短路電流。

1.2 限制短路電流的措施

由于電力系統短路是不可避免的,我們在系統設計階段就應充分考慮減小短路電流的方法,盡量減小短路電流,同時又要兼顧系統的阻抗,這是因為電力系統的阻抗直接與線路損耗有關,系統阻抗增加,系統線路損耗相應地增大。由于電力系統線路長,線路損耗在整個系統中所占比例不容忽視,如何找到一個既能有效控制短路電流,又不至于使線路損耗增加太大的系統阻抗是電力系統設計的重要任務。只有這樣,才能既保證電力系統安全可靠地運行,又能減輕短路造成的影響。

在目前電力系統中,主要采用以下幾種方法限制短路電流:1)提高電力系統電壓等級(電壓等級高,在相同的短路容量下則短路電流小)。2)采用直流輸電(直流系統的定電流控制將快速地將短路電流限制在額定電流左右,即使在短路發生的瞬變過程也不會超過2倍額定值)。3)在電力系統主網加強聯系后,將次級電網解環運行。4)在允許范圍內,增大系統的零序阻抗。例如采用不帶第三繞組或第三繞組為Y接線的全星形自偶變壓器,減少變壓器中性點的接地點等。

在發電廠和變電所中可采取的限流措施有:1)發電廠中,在發電機電壓母線分段回路中安裝電抗器(在線路上或一段母線上發生短路故障時能限制另一段母線上電源所提供的短路電流)。2)將變壓器分裂運行(變壓器分裂運行,相當于增大了系統阻抗,在相同電壓等級情況下,短路電流減小)。3)變電所中,在變壓器回路中安裝分裂電抗器或電抗器。4)在出線回路中安裝電抗器。

在終端變電所中可采取的限流措施有:1)變壓器采用分裂運行。2)采用高阻抗的變壓器(相同容量的變壓器,阻抗越高,短路電流越小;反之,短路電流越大)。3)在變壓器回路中裝設電抗器。4)采用較小容量的變壓器(相同阻抗的變壓器,容量越小,短路電流越小;反之,短路電流越大)。

2 短路電流計算方法

由于在一般情況下三相短路電流最大,造成的危害也最嚴重,為了使電力系統的電氣設備在最嚴重的短路狀態下也能可靠地工作,在選擇和校驗電氣設備用的短路計算中,一般以三相短路電流為主。如果電力系統的電源總阻抗不超過短路電路總阻抗的5%～10%,或者電力系統的容量大于用戶系統容量的50倍時,則可將電力系統視為無限大容量的電源。進行短路電流計算的方法目前常用的有標幺值法和有名單位制法,標幺值計算方法一般用于高壓系統,有名單位制法一般用于1 000 V以下的低壓網絡短路電流計算。

對于高壓系統,通過標幺值法進行短路電流計算時,要先知道短路電流的參數,如電路元件的阻抗、電路電壓、電源容量等。在工程計算中通常先選定基準容量Sj和基準電壓Uj,然后通過網絡變換求得電源至短路點之間的等值總阻抗標幺值。各個電氣參數的標幺值如下:容量標幺值S*=S/Sj,電壓標幺值U*=U/Uj,電流標幺值I*=I/Ij,電抗標幺值X*=X/Xj,基準電流和基準電抗分別為Ij=Sj/(1.732Uj)和Xj=/Sj。

基準容量可以任意選取,但在工程中為了計算方便,基準容量Sj一般取100 MV·A。如果為有限容量電源系統,一般選取向短路點饋送短路電流的發電機額定容量作為基準容量;基準電壓Uj取各級電壓的平均線電壓,即Uj=Uav=1.05Un(Un為系統標稱電壓),對于標稱電壓為220 V/380 V的系統Uj=400 V或0.4 k V,其他標稱電壓等級常用基準值見表1。

表1 相關標稱電壓等級常用基準值(Sj=100 MV·A)

采用標幺值計算短路電流的總阻抗時,必須先將元件阻抗的有名值和相對值按同一基準容量換算為標幺值,各個常用電路元件阻抗標幺值計算公式為

式中,Sj為基準容量,MVA;Sn為變壓器額定容量,MVA;X為線路每相電抗,Ω;Uj為基準電壓,k V;Ij為基準電流,k A;Uk為變壓器阻抗電壓百分比;Ur為額定線電壓,k V;Ir為額定電壓,k A;X′d′為同步電機的超瞬態電抗相對值;Sr為同步電機額定容量,MVA。

2.1 常用高壓系統計算條件

1)只考慮正常運行時的接線方式,不考慮短時切換短時并列運行情況下的接線方式。

2)正常情況下,短路回路按不飽和磁路系統考慮,電壓在6 k V以上的系統網絡阻抗一般按純電抗考慮;如果電路中電阻大于三分之一電抗時,應考慮電阻值的影響。

3)在短路的持續時間內按短路相數不變計算,變壓器的分接開關按正常使用的主分接位置計算。

2.2 變壓器低壓側短路電流計算

變壓器本身的短路容量,其值等于高壓側接入無限大電源容量時的低壓側短路容量,即

式中,Sn為變壓器額定容量;Uk為變壓器阻抗電壓百分比;Ik為變壓器低壓側短路電流;Un為變壓器低壓側額定電壓。

2.3 三相短路電流計算

由于絕大部分配電系統三相短路電流比其他類型的短路電流大,在一般情況下就以三相短路電流計算作為整個系統短路電流計算值。由于短路電流的峰值出現在短路發生后的半個正弦周期內,其計算公式為

式中,Kp為短路電流峰值系數;Id為三相短路周期分量電流有效值。當電路回路全部為電抗值時Kp=2;當電路回路全部為電阻值時Kp=1。當短路點遠離電源且回路總電阻較小時,Kp取1.8,即Kp=1.8,ip= 2.55Id,Ip=1.51Id;當短路回路總電阻較大時,Kp取1.3,即Kp=1.3,ip=1.84Id,Ip=1.09Id。

下面以玻璃廠常用的配電系統來介紹短路電流的詳細計算過程。

已知條件:由110/10 k V總降變電站至廠區10 k V開閉所,線路為10 k V(3×240 mm2)電纜線(L1= 1.2 km);由廠區10 k V開閉所至10/0.4 k V車間變電所,線路為10 k V(3×95 mm2)電纜(L2=0.35 km); 10/0.4 k V車間變電所設有一臺10/0.4 k V、2 000 k V·A干式變壓(Uk=6%)。110/10 k V總降變電站容量為S=200 MV·A,求K1點(廠區10 k V開閉所母線),K2點(車間變電所0.4 k V母線)的短路電流。圖2為短路電流計算電路,圖3為標幺值電抗等值電路。

1)用標幺值法計算

選取基準容量Sj=100 MV·A,基準電壓Uj1=10.5 k V,Uj2=0.4 k V。由于各元件有效電阻值較小,不予考慮。基準電流:Ij1=Sj/(1.732Uj1)=5.5 k A,Ij2=Sj/(1.732Uj2)=144.3 k A。

2)各個元件標幺值計算

2.4 低壓系統的短路電流計算

對于低壓系統的短路電流計算一般采用有名值法,先算出各元件電阻、電抗,再求出總阻抗,按照歐姆定律依次計算各短路參數的數值。

3 短路電流計算的應用

短路電流計算的目的是為了限制短路的危害和縮小故障的影響范圍,短路計算的各個參數對電力系統設計時提供以下幾個方面的依據:1)比較和選擇電力系統電氣主接線方案;2)選擇和校驗電氣設備包括限制短路電流的設備;3)選擇和校驗電纜、母線等載流導體;4)選擇繼電綜合保護裝置整定值、靈敏系數;5)驗算接地裝置接觸電壓、跨步電壓。

4 結 語

工業領域供電系統要求不間斷對負荷供電,以保證相關領域的正常生產和生活。但由于各種原因,如電氣設備絕緣損壞、工作人員的誤操作、雷擊、臺風等都能使供電系統的正常運行遭到破壞,最常見的就是系統短路。由于短路電流瞬間可達幾千甚至幾萬安培,可能造成火災、爆炸、人身傷亡等事故,所以做好短路電流的計算是防范供配電系統故障的主要手段之一。

供配電系統發生短路故障是經常性的,我們要對短路電流造成的危害有充分客觀的認識。在供配電系統設計過程中,通過優化網絡結構,采用合理的主接線方案、運行方式及限流措施,盡可能地減小短路電流。同時,通過對系統短路電流的計算,為系統電氣設備的選型提供了可靠的依據。大型供配電系統的短路電流計算是一項復雜的任務,要考慮的條件很多;隨著計算機的發展,現代電網系統的短路電流計算一般都由專業的軟件完成,大大降低了人工計算量,提高了計算準確性。

[1] 任元會.工業與民用配電設計手冊[M].第3版.北京:中國電力出版社,2005.

[2] 劉介才.工廠供電[M].北京:中國建筑工業出版社,2004.

[3] GB 50052—2009,供配電系統設計規范[S].

[4] GB 50054—2011,低壓配電設計規范[S].

[5] GB/T 15544—1995,三相交流系統短路電流計算[S].

Short Circuit Current in Power Supply and Distribution System and Its Calculation

TIAN Wan-chun
(China Triumph International Engineering Group Co,Ltd,Shanghai 200063,China)

The calculated value of power system short circuit current is the basis of selecting short circuit affordability and switch breaking capacity of the electrical components,and verifying the dynamic stability and thermal stability of the electrical components,and also it is the main basis of the setting value of power system relay protection.The calculation of power system short circuit current is very important in the selection of electrical components and system design.

short circuit current; prevent measures;calculation methods

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.06.024

2014-07-30.

田萬春(1975-),高級工程師.E-mail:wanc_tian@163.com