張國(guó)棟，何明鋒

（金華電力設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 金華 321000）

0 引言

在電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，短路電流計(jì)算是解決相關(guān)技術(shù)問(wèn)題不可缺少的基本計(jì)算，是接線(xiàn)方案比較、電氣設(shè)備選擇、繼電保護(hù)計(jì)算與整定的基礎(chǔ)。實(shí)用的短路電流計(jì)算，是在基本假設(shè)基礎(chǔ)上對(duì)網(wǎng)絡(luò)利用多次的并、串及星—角等值變換進(jìn)行化簡(jiǎn)，求得各電源點(diǎn)對(duì)短路點(diǎn)的轉(zhuǎn)移阻抗，然后查運(yùn)算曲線(xiàn)，求得短路電流[1]。手工進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)，存在速度慢、精確度低且容易出錯(cuò)的缺點(diǎn)。對(duì)大電網(wǎng)的潮流計(jì)算和短路計(jì)算，已有較為成功的計(jì)算方法和程序，能對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行較為精確和復(fù)雜的分析計(jì)算，但因其程序較大，所需的硬件資源較多，計(jì)算前的準(zhǔn)備工作復(fù)雜，計(jì)算結(jié)果也并不完全適合中小型供/配電網(wǎng)的設(shè)計(jì)工作和運(yùn)行。實(shí)際工作中，作為單體的發(fā)電廠和供電公司，在設(shè)計(jì)驗(yàn)算、設(shè)備改造等工作需進(jìn)行短路電流計(jì)算時(shí)，往往采用手工計(jì)算。本文從實(shí)際工作需要出發(fā)，基于實(shí)用短路電流計(jì)算，利用PSCAD進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變換，簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程。

1 計(jì)算原理和方法

1.1 傳統(tǒng)計(jì)算步驟及存在問(wèn)題

短路電流周期分量的計(jì)算步驟如下：

（1）繪制相應(yīng)的電力系統(tǒng)、發(fā)電廠、變電站接線(xiàn)圖。

（2）確定與短路電流有關(guān)的運(yùn)行方式。

（3）計(jì)算各元件的正、負(fù)及零序阻抗（電抗），系統(tǒng)電抗一般由上級(jí)調(diào)度部門(mén)給出。

（4）繪制相應(yīng)的短路電流計(jì)算阻抗圖。

（5）根據(jù)需要取不同的短路點(diǎn)進(jìn)行短路電流計(jì)算。

（6）列出短路電流計(jì)算結(jié)果表。

上述步驟中第5條最為復(fù)雜，需要對(duì)阻抗圖進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變換，以求取各電源對(duì)短路點(diǎn)的轉(zhuǎn)移電抗，進(jìn)而求得計(jì)算電抗，查運(yùn)算曲線(xiàn)，得到短路電流計(jì)算結(jié)果。尤其是需要進(jìn)行多個(gè)短路點(diǎn)的短路電流計(jì)算時(shí)，手工網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)將花費(fèi)大量時(shí)間且容易出錯(cuò)。

1.2 PSCAD中網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

根據(jù)電力系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)可知，當(dāng)節(jié)點(diǎn)D注入單位電流，而其它節(jié)點(diǎn)注入電流均為零時(shí)，節(jié)點(diǎn)D的電壓值等于其自阻抗值。因此，在短路計(jì)算阻抗圖中，若將各有限電源點(diǎn)經(jīng)″接地，將外部系統(tǒng)經(jīng)系統(tǒng)阻抗接地后，在某短路點(diǎn)注入單位電流，則該處的電壓即為該短路點(diǎn)的綜合電抗X∑。因此計(jì)算短路電流的流程可用圖1表示。

圖1 短路電流計(jì)算流程

以上計(jì)算過(guò)程中，如果采用仿真軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)將會(huì)十分簡(jiǎn)單，尤其需要進(jìn)行多個(gè)短路點(diǎn)的短路電流計(jì)算時(shí)，優(yōu)勢(shì)十分明顯。PSCAD是一款優(yōu)秀的電力系統(tǒng)仿真軟件，能夠很容易地實(shí)現(xiàn)上述計(jì)算過(guò)程。具體過(guò)程如下：

（1）新建工程文件，繪制各序網(wǎng)的阻抗圖。

（2）在各個(gè)電源支路添加電流測(cè)量元件。

（3）確定短路點(diǎn)，在短路點(diǎn)添加單位電流源元件和電壓測(cè)量元件。

（4）添加數(shù)據(jù)輸出和顯示元件，以顯示各個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)。

（5）進(jìn)行仿真計(jì)算，得到測(cè)量結(jié)果。

（6）更換短路點(diǎn)，重復(fù)步驟（5），直至計(jì)算完所有短路點(diǎn)。

以上過(guò)程中需注意的問(wèn)題是：要將各電源點(diǎn)接地；為方便數(shù)據(jù)讀取，應(yīng)在短路點(diǎn)添加直流電流源元件；由于采用了直流電流源元件，因此繪制阻抗圖時(shí)應(yīng)采用電阻元件代替電抗元件。

2 算例分析

2.1 阻抗圖處理

以《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)（電氣一次部分）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)手冊(cè)）中的算例為題，給出采用PSCAD的計(jì)算結(jié)果。圖2為原始的系統(tǒng)正序阻抗圖，圖3為PSCAD計(jì)算用系統(tǒng)正序阻抗圖。

圖2 原始系統(tǒng)正序阻抗圖（Sj=1 000 MVA）

圖3 PSCAD計(jì)算用正序阻抗圖

圖3中，將各個(gè)電源點(diǎn)接地，在各電源支路中添加電流測(cè)量元件，其中CS1和CS2為系統(tǒng)側(cè)電流測(cè)量元件；C1—C6為各發(fā)電機(jī)側(cè)電流測(cè)量元件。圖中將單位電流源添加在500 kV母線(xiàn)處，則電壓測(cè)量元件X1的測(cè)量值即為500 kV母線(xiàn)短路時(shí)該短路點(diǎn)的正序綜合阻抗；CS1，CS2及C1—C6的測(cè)量值即為各電源的電流分布系數(shù)。

負(fù)序阻抗圖、零序阻抗圖的處理方法與正序阻抗圖相同。

2.2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

選取500 kV母線(xiàn)d1、220 kV母線(xiàn)d2、聯(lián)絡(luò)變35 kV母線(xiàn)d3、發(fā)電機(jī)機(jī)端d4共4個(gè)短路點(diǎn)，依次進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)，并與手冊(cè)中結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 PSCAD計(jì)算得各短路點(diǎn)阻抗及分布系數(shù)

表2 結(jié)果對(duì)比

表1列出了利用PSCAD計(jì)算出的各短路點(diǎn)綜合阻抗以及相應(yīng)的各電源分布系數(shù)。利用正序綜合阻抗X1∑除以各電源分布系數(shù)，即為該電源和短路點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)移阻抗。若需要將其中某幾個(gè)電源合并，只需將相應(yīng)的分布系數(shù)相加后再與X1∑相除即可。表2中列出了利用該方法計(jì)算出的各電源點(diǎn)轉(zhuǎn)移阻抗以及手冊(cè)中的計(jì)算結(jié)果。用PSCAD計(jì)算時(shí)，結(jié)果保留4位有效數(shù)字，而手冊(cè)中結(jié)果有效數(shù)字位數(shù)則不太一致?？紤]手工計(jì)算的舍入誤差，可認(rèn)為二者計(jì)算結(jié)果一致。

2.3 用PSCAD化簡(jiǎn)網(wǎng)絡(luò)阻抗圖的優(yōu)點(diǎn)

利用PSCAD化簡(jiǎn)網(wǎng)絡(luò)阻抗圖具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）可同時(shí)進(jìn)行正、負(fù)、零序阻抗圖的化簡(jiǎn)，計(jì)算快速。

（2）進(jìn)行不同點(diǎn)的短路計(jì)算時(shí)，只需改變單位電流源元件和電壓測(cè)量元件的位置，其它不需改變。

（3）PSCAD中的阻抗圖可直接復(fù)制為圖元文件，從而方便計(jì)算書(shū)的編制。

3 結(jié)論

本文研究了以手工方式計(jì)算短路電流時(shí)，利用PSCAD化簡(jiǎn)網(wǎng)絡(luò)阻抗圖的原理和實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)和已有算例的結(jié)果對(duì)比，證明了該方法的有效性，尤其在需要對(duì)多點(diǎn)進(jìn)行短路計(jì)算時(shí)，具有快速、靈活的優(yōu)點(diǎn)，能顯著提高工作效率。

[1]張玉坤.短路電流計(jì)算程序設(shè)計(jì)[J].小水電，2003，4：11-13.

[2]韓禎祥.電力系統(tǒng)分析[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2002.

[3]傅芝蘭.電力系統(tǒng)電氣設(shè)備選擇與實(shí)用計(jì)算[M].北京：中國(guó)電力出版社，2004.