浅析变压器三侧短路电流计算的一种方法

陈 虹 余晨翔

(中国电建集团福建工程有限公司，福建 福州 350018)

1 概述

短路电流，根据不同用途可分为如下主要目的：电气主接线比选；导体和设备的选择；确定中性点接线方式、选择继电保护装置及整定计算等。短路电流计算为系统设计、新站设备选型、运行方式制定、继电保护整定提供依据，电力系统短路电流的计算具有重大意义[1]。智利198号法令第26标500kV输变电项目为中国电建智利分公司与智利Transelec公司签订的EPC总承包工程，工程位于智利中部大都会区，主要内容包含2座500kV变电站的扩建与44km双回三分裂500kV导线的更换等。本文的目的是计算洛阿吉雷变电站中新增的750MVA变压器的三侧短路电流(见图1)，用于选定设备容量或额定值。

图1 洛阿吉雷变电站750MVA变压器短路电流计算接线图

2 研究假设和简化

为开展研究，考虑了以下假设和简化：所有电源的电动势相位角相同；在短路期间，网络没有拓扑变化；变压器的阻抗与分接开关的不同位置有关； 不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流；在短路期间，短路类型没有变化，即三相始终保持三相，单相短路保持单相[2]。

3 研究计算方法

3.1 基准值计算

高压短路电流计算一般只考虑各元件的电抗，采用标幺值计算。基准容量选取SB=100MVA，基准电压UB取各电压等级的平均电压[3]，即

UB=Uav=1.05UN

(1)

式(1)中，Uav为平均电压；UN为额定电压，高压侧母线的电压基准值UBH=525kV，中压侧母线的电压基准值UBM=230kV，低压侧母线的电压基准值UBL=66kV。

基准容量SB与基准电压UB选定后，基准电流IB与基准电抗XB也随之确定，即：

(2)

(3)

3.2 各元件参数标幺值的计算

电路元件的标幺值为有名值与基准值之比，计算公式如下：

(4)

(5)

(6)

(7)

从某一基值容量S1B的标幺值化到另一基值容量S2B的标幺值：

(8)

从某一基值容量U1B的标幺值化到另一基值容量U2B的标幺值：

(9)

3.3 网络变换

根据系统阻抗和变压器等效阻抗值，可作出正序阻抗图和零序阻抗图，如图2、图3所示。

图2 正序阻抗图

图3 零序阻抗图

其中，变压器短路电压百分值(均为百分数)取Uk12=14,Uk13=39,Uk23=22,故变压器电抗标幺值计算如下：

(10)

(11)

(12)

变压器等值电抗标幺值计算如下：

高压侧等值电抗：

(13)

中压侧等值电抗：

(14)

低压侧等值电抗：

(15)

3.4 短路点短路时的正序阻抗等效图

图4 k1点三相短路正序阻抗图

图5 k2点三相短路正序阻抗图

图6中涉及的网络变换公式为：

图6 k3点三相短路正序阻抗图

(16)

(17)

(18)

(19)

3.5 各短路点短路时的零序阻抗计算

图7 零序阻抗等效图

其中，图8和图9分别表示k1和k2点发生单相接地短路时的阻抗等效图。

图8 k1发生单相接地短路零序阻抗等效图

图9 k2发生单相接地短路零序阻抗等效图

(20)

(21)

(22)

3.6 各故障点在不同情况下的短路电流

3.6.1 高压侧母线短路情况

高压侧母线三相短路时的短路电流计算：

(23)

高压侧母线两相短路时的短路电流计算：

(24)

高压侧母线两相接地短路时的短路电流计算：

(25)

高压侧母线单相接地短路时的短路电流计算：

(26)

3.6.2 中压侧母线短路情况

中压侧母线三相短路时的短路电流计算：

(27)

中压侧母线两相短路时的短路电流计算：

(28)

中压侧母线两相接地短路时的短路电流计算：

(29)

中压侧母线单相接地短路时的短路电流计算：

(30)

3.6.3 低压侧母线短路情况

低压侧母线三相短路时的短路电流计算：

(31)

低压侧母线两相短路时的短路电流计算：

(32)

4 变压器数据

表1显示了洛阿吉雷变电站525/230/66kV 750MVA变压器的设计参数。

表1 洛阿吉雷变电站750MVA变压器参数

5 结果

将上述设备参数数据分别录入DIgSILENT软件进行运算，得出洛阿吉雷变电站的短路水平，数据必须针对以下类型的故障评估短路电流：①三相短路；②两相短路；③两相对地短路；④单相对地短路。其中，最大对称短路电流以加粗字体突出显示。

6 结论

本文在洛阿吉雷变电站中对变压器进行了短路电流研究，并考虑电力系统的远景发展计划，一般为本期工程建成后5～10年，确定短路电流时，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式进行计算，根据表2、表3、表4、表5数据可知，预计2033年的最大短路电流对应于表6的结果。

表2 三相短路结果

表3 两相短路结果

表4 两相对地短路结果

表5 单相对地短路结果

表6 最大短路电流结果

7 国际标准IEC关于短路电流的计算方法

表7 电压系数

使用该计算方法，可不考虑非旋转负载的运行数据、变压器分接头位置和发电机励磁方式，并且无须对短路前可能的潮流分布进行计算。我国参照国际标准IEC 60909并发布了GB-T 15544.1，其中短路电流计算方法便是等效电压源法。

8 变电站短路电流限制措施

变电站中可以采取的短路电流限制措施一般包括：变压器分裂运行；采用串联电抗器或其他限流设备；变压器的低压侧选用分裂绕组。在中性点接地的电力网络中，以一相对地的短路故障最多，约占全部故障的90%，为限制单相短路电流，还可以采用变压器中性点经小电抗接地、限制或不采用自耦变压器、限制变压器中性点接地的数量等方法。

9 结束语

绝缘损坏和故障会导致电力系统短路，主配电板母线或主线短路时，会出现比正常电流高出数倍的短路电流，短路产生的机械应力和热效应会对其他电气设备及电网造成损坏。 电压大幅降低，影响电气设备的使用，从而危及电气安全和人身安全。为保证系统在短路情况下的稳定性、可靠性和持续性，实现对电力系统的选择性保护，必须计算系统故障后的短路电流。

准确计算电网各点短路电流值的大小，有助于确定系统保护策略和方法，合理选择配电方式和保护装置，确保电气系统发生短路时能快速有效地切除短路故障。将故障限制在小范围内，防止故障点引起火灾，尽量减少短路故障造成的损坏。

由于系统运行模式的影响，短路电流也会相应变化。通过计算最大短路电流来确定系统的耐受能力，尤其是确定断路器的分断能力。此外，短路电流计算还有助于验证电力系统电压等级选择的正确性及配电系统选择的合理性。综上所述，为保证电力系统的安全稳定运行，短路电流计算必不可少[5]。

我国传统的短路电流计算方法是建立等效电路后，利用标幺值进行短路试验计算，采用标幺值的优点是能够简化计算公式，缺点是没有量纲，物理概念不清晰。我国参照国际标准IEC 60909并发布了GB-T 15544.1，足以证明我国对国际标准的认可，面对国家政策与国际趋势，海外市场的开拓愈发重要，要悉心接受国际化新知识，对海外工程有更全面的管理和更精确的把控。