趙大偉，魏宏偉

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

0 引言

由于各個國家電力水平不盡相同，尤其是電網(wǎng)水平相對落后的第三世界國家，一些大功率設(shè)備接入后經(jīng)常出現(xiàn)接入點系統(tǒng)短路、容量達不到要求的情況，因此在國外項目中，短路分析尤為重要，系統(tǒng)短路分析也是評估接入方案供電能力的指標(biāo)。短路電流計算可以用于熔斷器的選型，防止設(shè)備燒壞，為系統(tǒng)設(shè)計、新建站設(shè)備選型、運行方式制定以及繼電保護整定等環(huán)節(jié)提供依據(jù)。

本文以某國120 kV變電站接入方案為例，在未知電力系統(tǒng)條件下，進行初步的短路分析，并對相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗進行總結(jié)。

1 短路計算方法

1.1 標(biāo)幺值法

電力系統(tǒng)短路分析通常采用標(biāo)么值法。標(biāo)幺值是相對于某一基準(zhǔn)值而言的，同一有名值，基準(zhǔn)值選取不同，其標(biāo)幺值也不同。根據(jù)所選擇的基準(zhǔn)量，用標(biāo)幺值來表示電力系統(tǒng)中各元件的參數(shù)。標(biāo)幺值法在短路計算中大量應(yīng)用，其主要有以下優(yōu)點。

(1)三相電路的計算公式與單相電路的計算公式完全相同，線電壓的標(biāo)幺值與相電壓的標(biāo)幺值相等，三相功率的標(biāo)幺值和單相功率的標(biāo)幺值相等。

(2)只需確定各電壓等級的基準(zhǔn)值，而后直接在各自的基準(zhǔn)值下計算標(biāo)幺值，不需要折算參數(shù)和計算結(jié)果。

(3)對于低壓系統(tǒng)，功率的標(biāo)幺值遠(yuǎn)小于1。

(4)用標(biāo)幺值后，電力系統(tǒng)的元件參數(shù)比較接近，易于進行計算和比較分析結(jié)果。

(5)可以省去公式中的比例系數(shù)，使計算簡化。

1.2 各元件電抗標(biāo)幺值的計算

(1)三相繞組變壓器電抗標(biāo)幺值計算。

式中:UK1%，UK2%，UK3% 分別為各相的阻抗電壓百分比;UK(1－2)% ，UK(2－3)% ，UK(1－3)% 為每對繞組的阻抗電壓百分比。

三相繞組變壓器電抗標(biāo)幺值分別為

式中:XT1*，XT2*，XT3*為三相繞組變壓器電抗標(biāo)幺值;SB為系統(tǒng)基準(zhǔn)容量;SN為變壓器額定容量。

(2)架空線路電抗標(biāo)幺值計算。

架空線路電抗值為

式中:X為架空線路單位電抗;L為架空線路長度。架空線路電抗標(biāo)幺值為

(3)系統(tǒng)阻抗標(biāo)幺值為

式中:SS為系統(tǒng)接入點短路容量。

2 國外電力工程項目收集資料問題

國外電力工程項目與國內(nèi)不同，在資料收集方面面臨如下幾個問題。

(1)由于國情和歷史各不相同，各國電力系統(tǒng)在運營管理等方面與國內(nèi)不同，在資料收集階段經(jīng)常出現(xiàn)找不對或找不全部門的情況，出現(xiàn)資料收集不全、甚至收集錯誤等現(xiàn)象。

(2)國外項目籌備時間很長，1個項目從規(guī)劃到正式實施往往相隔數(shù)年，早期收集的資料可能已發(fā)生變化，受工期制約往往不能及時更新。

(3)國外項目出國人數(shù)和時間受到限制，因語言不同而造成技術(shù)溝通效率較低，經(jīng)常將資料清單交給相關(guān)人員代為收集，也是資料不能及時提供的原因之一。

(4)國外項目受外部制約因素很多(如政治風(fēng)險、市場需求變動、經(jīng)濟形勢不穩(wěn)定、政策和法律變動等)，而項目一旦實施就要求在最短時間內(nèi)產(chǎn)生效益，工期要求非常緊張，甚至存在邊設(shè)計邊施工的現(xiàn)象，工期的緊張也是造成資料不能及時更新或收集不到位的原因之一。

(5)由于國外項目建設(shè)環(huán)境復(fù)雜，不確定因素多，經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)計方案臨時調(diào)整的情況，這也是造成資料收集不全的重要原因。

由于受到國外工程項目客觀條件的限制，在設(shè)計中往往存在對對方電力系統(tǒng)不完全了解的情況，尤其是接入電力系統(tǒng)方案不穩(wěn)定，對設(shè)計影響非常大，有時要在未知電力系統(tǒng)條件下進行接入系統(tǒng)方案分析。本文主要是針對此問題進行探討。

3 電力系統(tǒng)情況未知時短路容量估算方法

(1)系統(tǒng)短路容量按上級變電站出口斷路器額定電流考慮，設(shè)上級變電站出口斷路器額定電流為Ir，額定電壓為UN，則系統(tǒng)短路容量為

(2)系統(tǒng)短路容量按無窮大考慮，則SS=∞ 。

(3)系統(tǒng)短路容量按經(jīng)驗值考慮。

根據(jù)文獻［1］，系統(tǒng)短路容量經(jīng)驗值為:

1)6～10 kV，系統(tǒng)短路容量經(jīng)驗值為500 MV·A;

2)35 kV，系統(tǒng)短路容量經(jīng)驗值為 1500 MV·A;

3)110 kV，系統(tǒng)短路容量經(jīng)驗值為 8000 MV·A;

4)220 kV，系統(tǒng)短路容量經(jīng)驗值為20000 MV·A。

4 算例

以作者做過的剛果(金)某礦業(yè)項目中的電力配套工程為例，詳細(xì)闡述短路計算方法，并將各種假設(shè)系統(tǒng)短路容量條件與真實系統(tǒng)短路容量計算結(jié)果進行比較。剛果(金)120 kV變電站主變壓器技術(shù)參數(shù)見表1(參照GB 6451—2008《三相油浸式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》)。

表1 主變壓器技術(shù)參數(shù)

(1)短路計算基本假設(shè)。

1)正常工作時，三相系統(tǒng)對稱運行。

2)所有電源的電動勢相位角相同。

3)電力系統(tǒng)中各元件的磁路不飽和，即帶鐵芯的電氣設(shè)備電抗值不隨電流大小發(fā)生變化。

4)不考慮短路點的電弧阻抗和變壓器的勵磁電流。

5)元件的電阻、負(fù)荷的影響、輸電線路的電容略去不計。

6)系統(tǒng)短路為金屬性短路。

(2)高壓短路電流計算一般只計算各元件的電抗，采用標(biāo)幺值進行計算，為了計算方便，選取基準(zhǔn)容量SB=100 MV·A，基準(zhǔn)電壓分別為10.5 kV，37.0 kV，126.0 kV。

(3)計算變壓器各繞組電抗標(biāo)幺值。變壓器120 kV側(cè)繞組阻抗電壓百分?jǐn)?shù)

變壓器35 kV側(cè)繞組阻抗電壓百分?jǐn)?shù)

變壓器10 kV側(cè)繞組阻抗電壓百分比

則三繞組變壓器電抗標(biāo)幺值分別為

(4)計算線路阻抗標(biāo)幺值。

從剛果(金)電網(wǎng)120kV變電站引出1回架3×LGJ－150空線為新建的120kV變電站供電，架空線長度為15 km，架空線路單位電抗為0.341，線路電抗值為

其標(biāo)么值為

(5)計算系統(tǒng)阻抗標(biāo)幺值。

在未知電力系統(tǒng)條件下，接入點處短路容量可作以下幾種假設(shè)。

1)系統(tǒng)短路容量按上級變電站出口斷路器額定電流考慮。由于接入剛果(金)電網(wǎng)120 kV電力系統(tǒng)，其出口斷路器額定電流為25 kA，所以系統(tǒng)短路容量估算

系統(tǒng)短路電抗標(biāo)幺值為

2)系統(tǒng)短路容量按無窮大考慮

上級系統(tǒng)短路容量按無窮大考慮，則SS=∞，系統(tǒng)短路電抗標(biāo)幺值為XS*=0。

3)系統(tǒng)短路容量按經(jīng)驗值考慮

根據(jù)國內(nèi)經(jīng)驗值，110 kV系統(tǒng)短路容量為8000 MV·A，則系統(tǒng)短路電抗標(biāo)幺值為

(6)等值網(wǎng)絡(luò)。

系統(tǒng)短路容量按上級變電站出口斷路器額定電流25 kA考慮的系統(tǒng)等值網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)等值網(wǎng)絡(luò)

(7)短路計算。

1)d1點短路。

次暫態(tài)短路電流標(biāo)幺值為

次暫態(tài)短路電流有名值為

沖擊電流為

全電流最大有效值為

短路容量為

2)d2點短路。

次暫態(tài)短路電流標(biāo)幺值為

次暫態(tài)短路電流有名值為

沖擊電流為

全電流最大有效值為

短路容量為

3)d3短路。

次暫態(tài)短路電流標(biāo)幺值為

次暫態(tài)短路電流有名值為

沖擊電流為

全電流最大有效值為

短路容量為

系統(tǒng)阻抗按無窮大考慮與按經(jīng)驗值考慮的計算過程相同。

5 計算結(jié)果比較

根據(jù)假定的系統(tǒng)容量不同，得出的各點短路電流和短路容量也不相同，計算結(jié)果見表2。

表2 不同假定條件下短路計算數(shù)據(jù)比較

6 結(jié)論

各國的電力系統(tǒng)情況各不相同，尤其是電力系統(tǒng)相對薄弱的第三世界國家，參照我國的電力系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗值或者按照系統(tǒng)無窮大考慮得出的結(jié)果與實際值偏差較大，采用上級變電站出口斷路器額定電流值推算系統(tǒng)短路容量得出的數(shù)據(jù)相對準(zhǔn)確。

系統(tǒng)短路容量對變電所高壓側(cè)影響較大，對于中壓側(cè)和低壓側(cè)影響較小，采用何種假定條件中低壓側(cè)短路容量和短路電流與實際值偏差不大，具有一定的參考價值。

［1］劉傳彝.電力變壓器設(shè)計計算方法與實踐［M］.沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

［2］郭玲麗.境外電力工程項目投資風(fēng)險分析及其防范措施研究［D］.北京:華北電力大學(xué)，2010.

［3］電力工業(yè)部電力規(guī)劃設(shè)計總院.電力系統(tǒng)設(shè)計手冊［M］.北京:中國電力出版社，1998.