变电站短路电流计算浅析

摘要：短路电流计算是变电站电力系统运行和维护的基础工作，本文通过对国内目前采用的短路电流的计算方法以及存在问题进行了初步探讨，以期为变电站的运行和维护等相关工作提供一些指导。

关键字：变电站；短路电流；计算；电力系统

前言：近年来，随着我国经济的快速发展，电力需求大幅增加。大批发电站建立后，我国500 kV和220 kV电网新建变电站及新建线路大量增加,网架结构明显加强。在满足电力需求的同时,导致部分变电站的短路电流大幅增加,特别是一些处于负荷中心,负荷密度大,电网联系特别紧密的变电站,短路电流问题尤为突出。

1.变电站电力系统短路的分类

电气设备和载流导体的选择、继电保护、自动装置的整定、限制短路电流措施的确定都需进行短路电流计算。电力系统短路分为对称短路和不对称短路两种类型。运行经验表明，上述各种类型的短路中，最常见的是单相短路，约占短路总故障的65%-70%，两相短路约占10%-15%，两相接地短路约占10%-20%，三相短路约占5% 。三相短路发生的概率虽然较低，但它却是各种短路故障中最严重的一种。之所以称其为最严重故障，并不是短路电流最大，而是对系统的危害最大。

2.三相短路电流计算方法的探讨

三相短路电流计算是电力系统规划、设计、运行中必须进行的计算分析工作。在进行三相短路电流计算时,各设计、运行和研究部门采用的计算方法各不相同,这就有可能造成短路电流计算结论的差异和短路电流超标判断的差异,以及短路电流限制措施的不同。如果短路电流计算结果偏于保守,有可能造成不必要的投资浪费;若偏于乐观,则将给系统的安全稳定运行埋下灾难性的隐患。

经典的变电站短路电流计算方法为:取变比为1.0,不考虑线路充电电容和并联补偿,不考虑负荷电流和负荷的影响,节点电压取1.0,发电机空载。短路电流计算的标准主要有IEC标准和ANSI标准,中国采用的是IEC标准。

国标规定了短路电流的计算方法、计算条件。国标推荐的三相短路电流计算方法是等值电压源法,其计算条件为:①不考虑非旋转负载的运行数据和发电机励磁方式;②忽略线路电容和非旋转负载的并联导纳;③具有分接开关的变压器,其开关位置均视为在主分接位置;④不计弧电阻;⑤35 kV及以上系统的最大短路电流计算时,等值电压源取标称电压的1.1(计算中额定电压的1.05 pu),但不超过设备的最高运行电压。

不同的计算方法,其短路电流计算结果将有明显的区别。为此,建议采取以下的方法进行电网三相短路电流计算：

①以全接线潮流文件为基础,在潮流计算中应包括所有发电机,未运行的机组以零出力机组表示。②计算此方式下的短路电流,更确切地说,是计算此方式下,系统各节点的等值阻抗,这一等值阻抗是系统各节点最小等值阻抗的真实反映。③根据系统每一节点可能的最高运行电压水平,计算各节点的最大短路电流。根据等值电压源法,短路电流值为节点电压除以等值阻抗。

3.短路电流计算曲线法

为了方便分析,通常将电力系统的短路电流看成是若干个分量的叠加,如周期分量和非周期分量的叠加.我国对短路电流的实用(简化)计算是围绕短路电流的周期分量展开的,而在计算短路电流周期分量时一般推荐使用短路电流计算曲线法。

计算曲线法是一种工程近似计算方法,与精确求解微分方程的短路电流计算方法相比,计算曲线法极大地减少了计算量,所以国内有些自行开发的短路计算软件也采用查计算曲线的方法.但是,现在国内使用的计算曲线法中的计算曲线是20世纪80年代初制作和发表的,使用的样机容量最大为2. 25×105kW,而系统中大容量机组的比例正逐年增加,对于大容量机组,我们提出了一下几点改进方法：

(1)忽略变压器和输电线路的电阻、输电线的电容、变压器的励磁支路.负荷用恒定电抗表示,作电力系统的等值电路。(2)保留发电机机端节点和短路节点,作节点电压方程。(3)对节点电压方程(节点导纳矩阵)进行变换,保留发电机机端节点和短路节点,消去其他节点。(4)对变换后的节点导纳矩阵求逆,得出节点阻抗矩阵。(5)将各发电机提供的短路电流周期分量求和,得出短路点总的短路电流周期分量。

4.35 kV以下农网短路电流计算中应注意的问题

在近似计算中,忽略发电机、变压器和输电线路的电阻,不计线路的电容,略去变压器的励磁电流(三相三柱式变压器的零序等值电路除外),负荷忽略不计或只作近似估计。但是35 kV及以下电压等级的农网负荷分散,供电距离长,导线截面相对较小,线路损耗大,如果不注意有关参数的处理,计算结果将产生较大的误差。

根据西北和东北电力设计院合编的《电力工程设计手册》中的规定,当回路总电阻R∑*>13X∑*时,电阻对短路电流有较大的作用,不允许将电阻略去不计。而农网电源有的取于系统110 kV变电所(站)的35 kV母线,有的取于火电厂(或水电站)的35 kV母线。在进行短路电流计算时,必须知道折算到此母线上的电源总容量和转移电抗。

在进行1 kV以下低压电网的短路计算时,如果低压电网中的变压器容量不超过供电电源容量的3%,发生短路时可认为降压变压器的高压侧端电压不变(即U=1)和低压侧短路电流不衰减。也就是可将电源作为无限大容量电源处理,相当于远点短路。对于35 kV和10 kV网络的简单不对称短路的计算,只需要计算二相短路电流即可。

结束语：

短路电流计算是选择电气设备和继电保护设计和整定的依据;准确地进行短路电流计算就能根据变电站电力系统的实际情况合理地确定限制短路电流的方案，或者限制某种运行方式的出现，得到既可靠又经济的主接线方案。总之，在评价和比较各种主接线方案选出最佳方案时，短路电流计算是一项很重要的基础性工作。