供配电系统短路电流及其计算

田万春

(中国建材国际工程集团有限公司,上海 200063)

供配电系统短路电流及其计算

田万春

(中国建材国际工程集团有限公司,上海 200063)

电力系统短路电流计算值是选择电气元件短路承受能力、开关分断能力及校验电气元件动稳定、热稳定的基本依据,也是作为电力系统继电保护整定值的主要依据。因此,电力系统短路电流的计算,在电气元件选型和系统设计过程中更为重要。

短路电流; 防范措施; 计算方法

我国地域广阔,电力系统网络庞大,企业数量众多,操作人的技术水平也参差不齐,各种各样的电气故障每天都在发生,其中短路是危害最大的一种。短路时会产生很大的热量和电动力能使其他元件损坏;短路时短路电路中的电压要降低,会影响其他电气设备的正常运行;短路时保护继电装置动作会造成大面积的停电事故,而且越靠近电源停电范围越大;严重的短路可能影响整个电力系统的稳定性,可使并列运行的发电机组失去同步,造成系统解列,可见短路造成的后果十分严重。供配电系统短路还可能打乱工业企业的连续性生产,造成大量次品、废品产生,同时下级电网的短路有时会波及到配电系统的上一级系统,造成多米诺式的连锁故障跳闸,前几年包括印度、俄罗斯等都发生过类似的大面积性的全国停电,造成重大经济损失。

1 短路的类型及防范短路电流的措施

1.1 短路的类型

在三相系统中可能发生三相短路、两相短路、单相对地短路和两相接地短路,如图1所示。其中三相短路属于对称性短路,其他几种类型短路属于不对称短路。在电力系统中发生单相短路的几率最大,也是工业企业最常见的短路类型;而发生三相短路的可能性最小,通常情况下,发生三相短路的电流最大,造成的危害也最严重。但当短路点发生在发电机附近时,两相短路电流可能大于三相短路电流;当短路点靠近中性点接地的变压器时,单相短路电流也有可能大于三相短路电流。

1.2 限制短路电流的措施

由于电力系统短路是不可避免的,我们在系统设计阶段就应充分考虑减小短路电流的方法,尽量减小短路电流,同时又要兼顾系统的阻抗,这是因为电力系统的阻抗直接与线路损耗有关,系统阻抗增加,系统线路损耗相应地增大。由于电力系统线路长,线路损耗在整个系统中所占比例不容忽视,如何找到一个既能有效控制短路电流,又不至于使线路损耗增加太大的系统阻抗是电力系统设计的重要任务。只有这样,才能既保证电力系统安全可靠地运行,又能减轻短路造成的影响。

在目前电力系统中,主要采用以下几种方法限制短路电流:1)提高电力系统电压等级(电压等级高,在相同的短路容量下则短路电流小)。2)采用直流输电(直流系统的定电流控制将快速地将短路电流限制在额定电流左右,即使在短路发生的瞬变过程也不会超过2倍额定值)。3)在电力系统主网加强联系后,将次级电网解环运行。4)在允许范围内,增大系统的零序阻抗。例如采用不带第三绕组或第三绕组为Y接线的全星形自偶变压器,减少变压器中性点的接地点等。

在发电厂和变电所中可采取的限流措施有:1)发电厂中,在发电机电压母线分段回路中安装电抗器(在线路上或一段母线上发生短路故障时能限制另一段母线上电源所提供的短路电流)。2)将变压器分裂运行(变压器分裂运行,相当于增大了系统阻抗,在相同电压等级情况下,短路电流减小)。3)变电所中,在变压器回路中安装分裂电抗器或电抗器。4)在出线回路中安装电抗器。

在终端变电所中可采取的限流措施有:1)变压器采用分裂运行。2)采用高阻抗的变压器(相同容量的变压器,阻抗越高,短路电流越小;反之,短路电流越大)。3)在变压器回路中装设电抗器。4)采用较小容量的变压器(相同阻抗的变压器,容量越小,短路电流越小;反之,短路电流越大)。

2 短路电流计算方法

由于在一般情况下三相短路电流最大,造成的危害也最严重,为了使电力系统的电气设备在最严重的短路状态下也能可靠地工作,在选择和校验电气设备用的短路计算中,一般以三相短路电流为主。如果电力系统的电源总阻抗不超过短路电路总阻抗的5%～10%,或者电力系统的容量大于用户系统容量的50倍时,则可将电力系统视为无限大容量的电源。进行短路电流计算的方法目前常用的有标幺值法和有名单位制法,标幺值计算方法一般用于高压系统,有名单位制法一般用于1 000 V以下的低压网络短路电流计算。

对于高压系统,通过标幺值法进行短路电流计算时,要先知道短路电流的参数,如电路元件的阻抗、电路电压、电源容量等。在工程计算中通常先选定基准容量Sj和基准电压Uj,然后通过网络变换求得电源至短路点之间的等值总阻抗标幺值。各个电气参数的标幺值如下:容量标幺值S*=S/Sj,电压标幺值U*=U/Uj,电流标幺值I*=I/Ij,电抗标幺值X*=X/Xj,基准电流和基准电抗分别为Ij=Sj/(1.732Uj)和Xj=/Sj。

基准容量可以任意选取,但在工程中为了计算方便,基准容量Sj一般取100 MV·A。如果为有限容量电源系统,一般选取向短路点馈送短路电流的发电机额定容量作为基准容量;基准电压Uj取各级电压的平均线电压,即Uj=Uav=1.05Un(Un为系统标称电压),对于标称电压为220 V/380 V的系统Uj=400 V或0.4 k V,其他标称电压等级常用基准值见表1。

表1 相关标称电压等级常用基准值(Sj=100 MV·A)

采用标幺值计算短路电流的总阻抗时,必须先将元件阻抗的有名值和相对值按同一基准容量换算为标幺值,各个常用电路元件阻抗标幺值计算公式为

式中,Sj为基准容量,MVA;Sn为变压器额定容量,MVA;X为线路每相电抗,Ω;Uj为基准电压,k V;Ij为基准电流,k A;Uk为变压器阻抗电压百分比;Ur为额定线电压,k V;Ir为额定电压,k A;X′d′为同步电机的超瞬态电抗相对值;Sr为同步电机额定容量,MVA。

2.1 常用高压系统计算条件

1)只考虑正常运行时的接线方式,不考虑短时切换短时并列运行情况下的接线方式。

2)正常情况下,短路回路按不饱和磁路系统考虑,电压在6 k V以上的系统网络阻抗一般按纯电抗考虑;如果电路中电阻大于三分之一电抗时,应考虑电阻值的影响。

3)在短路的持续时间内按短路相数不变计算,变压器的分接开关按正常使用的主分接位置计算。

2.2 变压器低压侧短路电流计算

变压器本身的短路容量,其值等于高压侧接入无限大电源容量时的低压侧短路容量,即

式中,Sn为变压器额定容量;Uk为变压器阻抗电压百分比;Ik为变压器低压侧短路电流;Un为变压器低压侧额定电压。

2.3 三相短路电流计算

由于绝大部分配电系统三相短路电流比其他类型的短路电流大,在一般情况下就以三相短路电流计算作为整个系统短路电流计算值。由于短路电流的峰值出现在短路发生后的半个正弦周期内,其计算公式为

式中,Kp为短路电流峰值系数;Id为三相短路周期分量电流有效值。当电路回路全部为电抗值时Kp=2;当电路回路全部为电阻值时Kp=1。当短路点远离电源且回路总电阻较小时,Kp取1.8,即Kp=1.8,ip= 2.55Id,Ip=1.51Id;当短路回路总电阻较大时,Kp取1.3,即Kp=1.3,ip=1.84Id,Ip=1.09Id。

下面以玻璃厂常用的配电系统来介绍短路电流的详细计算过程。

已知条件:由110/10 k V总降变电站至厂区10 k V开闭所,线路为10 k V(3×240 mm2)电缆线(L1= 1.2 km);由厂区10 k V开闭所至10/0.4 k V车间变电所,线路为10 k V(3×95 mm2)电缆(L2=0.35 km); 10/0.4 k V车间变电所设有一台10/0.4 k V、2 000 k V·A干式变压(Uk=6%)。110/10 k V总降变电站容量为S=200 MV·A,求K1点(厂区10 k V开闭所母线),K2点(车间变电所0.4 k V母线)的短路电流。图2为短路电流计算电路,图3为标幺值电抗等值电路。

1)用标幺值法计算

选取基准容量Sj=100 MV·A,基准电压Uj1=10.5 k V,Uj2=0.4 k V。由于各元件有效电阻值较小,不予考虑。基准电流:Ij1=Sj/(1.732Uj1)=5.5 k A,Ij2=Sj/(1.732Uj2)=144.3 k A。

2)各个元件标幺值计算

2.4 低压系统的短路电流计算

对于低压系统的短路电流计算一般采用有名值法,先算出各元件电阻、电抗,再求出总阻抗,按照欧姆定律依次计算各短路参数的数值。

3 短路电流计算的应用

短路电流计算的目的是为了限制短路的危害和缩小故障的影响范围,短路计算的各个参数对电力系统设计时提供以下几个方面的依据:1)比较和选择电力系统电气主接线方案;2)选择和校验电气设备包括限制短路电流的设备;3)选择和校验电缆、母线等载流导体;4)选择继电综合保护装置整定值、灵敏系数;5)验算接地装置接触电压、跨步电压。

4 结 语

工业领域供电系统要求不间断对负荷供电,以保证相关领域的正常生产和生活。但由于各种原因,如电气设备绝缘损坏、工作人员的误操作、雷击、台风等都能使供电系统的正常运行遭到破坏,最常见的就是系统短路。由于短路电流瞬间可达几千甚至几万安培,可能造成火灾、爆炸、人身伤亡等事故,所以做好短路电流的计算是防范供配电系统故障的主要手段之一。

供配电系统发生短路故障是经常性的,我们要对短路电流造成的危害有充分客观的认识。在供配电系统设计过程中,通过优化网络结构,采用合理的主接线方案、运行方式及限流措施,尽可能地减小短路电流。同时,通过对系统短路电流的计算,为系统电气设备的选型提供了可靠的依据。大型供配电系统的短路电流计算是一项复杂的任务,要考虑的条件很多;随着计算机的发展,现代电网系统的短路电流计算一般都由专业的软件完成,大大降低了人工计算量,提高了计算准确性。

[1] 任元会.工业与民用配电设计手册[M].第3版.北京:中国电力出版社,2005.

[2] 刘介才.工厂供电[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[3] GB 50052—2009,供配电系统设计规范[S].

[4] GB 50054—2011,低压配电设计规范[S].

[5] GB/T 15544—1995,三相交流系统短路电流计算[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.

田万春(1975-),高级工程师.E-mail:wanc_tian@163.com