ETAP軟件在短路實驗教學中的應用

徐華娟++王世山++王莉++楊善水

摘要：針對電力工程基礎課程在傳統教學過程中強調計算而忽視電力系統分析、設計的情況，提出引入ETAP軟件進行實踐教學的新方法。以三相短路為例進行了理論分析，并以某輻射型電網為模型，應用ETAP進行了多種短路仿真實驗，對實驗方法做了詳細說明，對實驗結果進行了分析。課程設置的仿真實驗包括三相短路計算、斷路器的選擇、不對稱短路故障分析、相關參數對短路電流的影響等。通過這些實驗，可以加深學生對電力系統短路知識的理解，從而更好的提高教學質量。

關鍵詞：電力系統；仿真實驗；ETAP；短路

【中圖分類號】TM7-4；G642

電力系統相關課程包括電力工程基礎、電力系統分析和電力系統自動化等。由于電力系統規模大、系統結構和運行方式復雜，許多大型電力系統實驗很難進行，特別是電力系統中對設備和人員危害較大的短路故障實驗，因此電力系統仿真教學成為電力系統教學中的一種重要方法。

在三相系統中，可能發生的短路包括三相短路、兩相短路、單相接地短路和兩相接地短路，其中三相短路對系統造成的危害最為嚴重，并且三相短路計算是其他不對稱短路計算的基礎，本文首先介紹了三相短路電流的計算方法，并以此為理論基礎開展相關實驗。

1 電力系統仿真軟件簡介

電力系統仿真軟件包括Matlab、Power World Simulator、PSCAD/EMTDC、BPA、PSASP等，它們的結構和功能特點不同，各自的應用領域也有所側重，如PSCAD/EMTDC主要進行電磁暫態和控制環節的仿真，BPA、PSASP主要進行潮流和機電暫態數字仿真，Matlab、Power World Simulator適用于一般教學[1]。ETAP軟件是用于發電、配電和電力系統設計的專業商用軟件，由于價格較高，目前尚未廣泛應用于教學科研。南京航空航天大學自動化學院通過與ETAP公司合作，獲得該軟件的教學使用權，借此機遇將ETAP軟件引入電力系統仿真教學中有重要意義，它不僅可以滿足基本教學要求，還可以激發學生的研究興趣，培養學生的創新意識和提高其解決工程問題的能力。

2 三相短路電流的理論分析

對于網狀電網的三相短路，根據IEC標準，短路點用一個等效電壓源 取代，其他所有設備都被表示成它們的內阻抗Zk，三相短路電流初始值（次暫態電流）的計算使用以下公式：

式中，Un是短路點的系統標稱電壓，電壓修正系數c根據系統電壓等級的不同取值不同，Zk是短路點的等效阻抗，并且有 。

短路電流峰值ip的計算使用如下公式：

其中峰值系數k與R/X比值相關。 為前面提到的短路電流初始值[2-3]。

3 基于ETAP的短路仿真實驗

3.1電力系統模型

電力系統模型選用如圖1所示的輻射型系統，等效電網U1額定電壓為110kV，短路額定容量2500MVA；同步發電機Gen1控制方式為無功控制，額定有功功率=25MW，額定電壓=10.5kV，功率因素=80%；電動機Mtr1額定功率=2000kW，額定電壓10kV；變壓器T1、T2的變比=110/10.5，其他參數設為其典型值；電纜Cable1型號為BS6622XLPE、長度=200m，截面積=50mm2。Lump1、Lump2和Lump3的額定容量分別為18MVA、4MVA、26MVA，負荷類型為恒容量100%，其他參數見圖1中注釋。

3.2短路仿真實驗及分析

本課程設置的仿真實驗主要包括三相短路計算、斷路器的選擇、不對稱短路故障分析、相關參數對短路電流的影響。

3.2.1三相短路計算

該實驗可以使學生掌握三相短路計算中發電機的參數設置，并驗證三相短路相關理論。運行短路計算，需要設置發電機Gen1的直軸次暫態電抗Xd”、直軸電抗Xd以及X/R比率，本實驗中通過點擊“典型數據”賦值于這幾個參數。設定故障位置為Bus4，運行三相短路計算，仿真結果顯示Bus4的電壓為0，故障電流峰值為107.6kA，初始對稱有效值為41kA。而系統無故障運行時Bus4的電壓為10.69kV，電流為1.6kA，實驗結果表明發生三相短路時，短路點電壓降為零，短路電流急劇增加。并且注意到等效電網額定電壓為110kV，變壓器T2變比為110/10.5，一般情況下由于變壓器自身阻抗的損耗，變壓器低壓側電壓應小于10.5，而系統無故障運行時Bus4的電壓值10.69大于10.5，分析原因可知由于Bus4連接了發電機，且發電機的控制方式為無功控制，發電機發電的總功率大于負載Lump3消耗的總功率，導致多余的功率通過變壓器T2返回到等效電網，因此Bus4的電壓值大于10.5。反之，如果要將Bus4的電壓調為10.5，最簡單的方法是將發電機的控制方式改為電壓控制，也可以通過調整發電機或負載的功率來實現。

3.2.2斷路器的選擇

短路電流的計算是電力系統設計和運行的基礎，可用于選擇電氣設備和載流導體，選擇和整定繼電保護裝置，確定合理的主接線方案、運行方式及限流措施等。該實驗通過斷路器的選擇，使學生對三相短路電流計算的用途有所了解。斷路器首先應根據額定電壓和額定電流來選擇，斷路器的額定電壓不應小于所在回路的最高運行電壓，額定電流不應小于該回路在各種可能運行方式下的持續工作電流；此外要保證短路情況下斷路器的穩定性，即斷路器的額定動穩定電流和額定開斷電流應大于相應的三相短路計算值。

例如在本實驗中打開斷路器CB5編輯器，選擇庫中型號為Siemens 12-3AF-31.5的斷路器，其額定電壓為12kV，額定電流為2.5kA，設定故障位置為Bus4，運行三相短路計算后出現斷路器報警窗口。報警窗口顯示斷路器CB5的動穩定峰值電流和開斷電流分別超負荷運行134.5%和132.7%。重新選擇型號為Siemens 12-3AF-63的斷路器，其額定動穩定電流為160kA，開斷電流為63kA，再次執行三相短路分析，運行后報警消失。

3.2.3不對稱短路故障分析

設置Bus4為故障母線，運行不對稱短路計算，Bus4不對稱短路電流計算結果如圖2所示。結果顯示三相短路沖擊電流峰值及其有效值均大于相應的不對稱短路電流，由此可見三相短路對系統造成的危害更為嚴重。觀察報告中短路點的電壓、電流，驗證不對稱短路的邊界條件，下面以單相接地短路為例進行分析。實驗結果顯示單相接地短路后A相對地電壓為0，說明A相接地；B、C兩非故障相電壓幅值變為原電壓的173%倍，驗證了如下結論，即中性點不接地的電力系統單相接地短路后，非故障相對地電壓升高為原來的 倍，即變成線電壓；單相接地短路后三相電壓不再平衡，說明單相接地短路為不對稱短路。

3.2.4相關參數對短路電流的影響

將電纜Cable1的長度分別設為100m、200m、400m，設其末端母線Bus3為短路點，運行三相短路計算，短路沖擊電流有效值分別顯示為29kA、25.4kA、20.6kA，實驗表明短路點距離電網電源越遠，三相短路電流越小。因為距離電網電源越遠，短路點處的等效電抗越大，等效電源電壓恒定的情況下，短路電流就越小。

在短路計算中把電動機負荷（或叫旋轉負荷）和照明加熱負荷（或叫靜止負荷）分開考慮，它們分別對應ETAP等效負荷里的100%恒容量模型和100%恒阻抗模型。通過以下實驗可以探索不同的負荷模型對短路電流的影響。將Lump2的負荷類型分別設為100%恒容量、50%恒容量（50%恒阻抗）和100%恒阻抗，運行三相短路電流計算。運行結果如圖3所示，Lump2在三種不同模式下對短路母線的貢獻電流分別為1.65kA、0.826kA、0kA，電動機Mtr1的貢獻電流均為0.946kA。實驗結果顯示電動機負荷有短路電流反饋，而照明加熱負荷（100%恒阻抗）沒有，并且隨著等效負荷恒容量百分數的增大，反饋電流增加。

4 結語

在短路仿真實驗中，ETAP顯示出其直觀方便準確的特點，學生可以投入更多的精力用于電力系統的設計和分析。論文給出了短路故障的具體仿真實驗方法，以期在電力系統相關課程中實現理論教學和實踐教學環節的相互協調，互相補充，從而更好的提高教學質量，提高學生解決復雜問題的能力，培養學生的創新意識。

參考文獻：

[1]李廣凱，李庚銀.電力系統仿真軟件綜述[J].電氣電子教學學報，2005，27（3）：61-65.

[2]張慧華，黃輝，戈睛天.ETAP的三相短路電流計算與傳統實用計算比較分析[J].硅谷，2011：188-189.