IEC60909标准和实用短路电流算法的比较

董洪稳

（海洋石油工程股份有限公司）

0 引言

随着我国国际影响力和工程建设技术实力不断提高，国内工程和设计公司在越来越多的大型国际工程中标、落地。工程项目电力系统的短路电流计算是电气设计和运行中的重要环节，利用网络元件的电磁暂态模型进行短路电流计算，方法复杂且计算量大［1］。目前国内工程设计短路电流的计算标准或方法主要有IEC标准［2］和传统实用计算法 （运算曲线法）［3］。分析两种算法概念、电流值计算方法及结果的差异，对于短路电流计算在国际工程上的应用有参考及指导意义。

1 两种短路电流计算方法介绍

1.1 IEC标准计算法

IEC60909标准计算法目前在国际上广泛应用，国内已在独资、合资项目和对外工程设计中使用。IEC标准计算采用等效电压源法，网络短路点用一个等效电压源代替，该电压源为网络的唯一电压源［4］，对于远端和近端短路均可适用，在短路点处标称电压Un前加了一个电压系数C，它是考虑到电压的变化，不计设备与线路电容、旋转电机的次暂态特性变化等因素。其他电源，如同步发电机、同步电动机、异步电动机和馈电网络的电势等都视为0，并用自身内阻抗代替。

电力系统电源，所有旋转的电机 （发电机、同步电动机、异步电动机等），短路时可瞬时逆变运行的静止换流器装置等均作为电源处理，即作为网络元件，对稳态短路电流，则同步电动机、异步电动机及静止换流器无影响，即不作为网络元件。

1.2 传统实用计算法

实用短路电流计算法是建立在国产同步发电机参数和容量配置的基础上，针对我国的电机参数有较强的实用性，用概率统计方法，制订了短路电流周期分量运算曲线，计算过程简便，广泛应用于国内工程项目设计。应用实用法计算电力系统进行近端短路电流时，用各发电机的X″d作为其等值电抗，网络中负荷不计，进行等值网络化简，得到只含有发电机电动势节点和短路点的简化网络，计算出各电源对短路点间的转移阻抗。利用计算电抗查运算曲线求得各电源到短路点的短路电流标幺值。短路点的总电流为各发电机电源对短路点的短路电流标幺值换算得到的有名值之和。

2 IEC标准与实用计算法的短路电流计算比较

通过在近端短路、远端短路，故障前电压、元件阻抗、结构区分等方面以及短路电流值计算方法上比较两种短路电流计算。

对于IEC标准计算法，至少有一台同步电机供给短路点的短路电流初始值超过这台发电机额定电流的2倍，或电动机反馈到短路点电流值超过不接电动机时该点的短路电流初始值5%时，对于实用算法计算用电抗Xc＜3.45时，认为近端短路，反之则认为远端短路。

2.1 近端短路对称短路电流初始值I″k计算

2.1.1 IEC标准算法

三相交流系统短路电流的大小不但取决于网络结构，还与短路前系统的运行状态密切相关。IEC标准由计算公式：

来计算对称短路电流初始值。

系统发生短路时，发电机总有一个暂态过程，尤其靠近发电机端短路时，短路瞬间发电机有较大的次暂态电势，不应忽视。IEC算法虽然用了一个等效电压源但为此引入了阻抗校正系数K，经校正后的阻抗，与电压源一起作网络的稳态电流计算，所推导的结果与利用次暂态电势和次暂态电抗一起作稳态短路电流计算的结果一致。

2.1.2 传统实用算法

实用算法计算短路阻抗时忽略了电阻，利用计算用电抗Xc，通过查运算曲线来计算对称短路电流初始值。在0.12≤Xc≤3.45的范围内，都能查到对应的短路电流标幺值，在此范围之外时，实用算法未考虑短路瞬间的暂态变化，缺少了故障分量。当短路发生在发电机端时，短路点内无负荷，只包含发电机本身的故障分量，而运算曲线上对应的电流值是按照50%的负荷处短路，经过了50%的负荷电流，当短路初始时刻，次暂态电势起到作用，使得曲线上查得数值偏小［5］。

相对比较，传统实用算法更加简便，IEC标准算法计算得到I″k值更加接近理论值，同时避免查曲线时的误差。

2.2 近端短路对称短路电流峰值ip计算

2.2.1 IEC标准算法

IEC标准计算三相短路，各馈电支路对短路电流峰值的馈入，均可表示为如下计算公式：

式中计算系数k，由 R／X或 X／R决定，计算公式为：

2.2.2 传统实用算法

实用算法对称短路电流峰值可按如下公式计算：

式中Tf为直流分量衰减时间常数，在工程设计中Kp的取值如下：

1）短路发生在发电机端时，取Kp＝1.9。

2）短路发生在发电厂高压侧母线时取，取Kp＝1.85。

3）短路点远离发电厂时，取Kp＝1.8。

由于在短路过程中，各支路的时间常数不同，峰值系数也不同，从两种方法的计算公式中可以看出，IEC算法用校正后的阻抗比R／X来计算Tf，从而考虑了不同支路的峰值计算系数k，考虑了短路电流周期分量在前半波内衰减的不同程度；而实用算法所有支路峰值系数Kp按上面三种固定情况考虑，计算结果往往偏大。

对比而言，IEC算法有针对性的关注暂态过程，计算结果更准确，实用算法更便捷。

2.3 远端短路时对称短路电流计算

远端短路时，可认为预期短路电流对称交流分量的值在短路过程中基本保持不变，电路中阻抗变化不大，可不考虑暂态过程。对称短路电流初始值I″k及非周期分量的计算，两种算法基本一致；在计算对称短路电流峰值ip时，IEC标准算法考虑了不同支路的时间常数及峰值计算系数，使得结果更加准确。

3 结论

通过比较在近端和远端短路时，两种短路电流算法，从计算公式和输入条件方面，分析了短路电流计算结果差别的原因。IEC算法更加贴近理论值，而传统实用算法较为简便。考虑到国际工程项目市场的前景及IEC标准算法的国际认可度，IEC标准算法将在设计行业内积极推广，也将会在更多国际项目中应用。