陳 虹 余晨翔
(中國(guó)電建集團(tuán)福建工程有限公司,福建 福州 350018)
短路電流,根據(jù)不同用途可分為如下主要目的:電氣主接線比選;導(dǎo)體和設(shè)備的選擇;確定中性點(diǎn)接線方式、選擇繼電保護(hù)裝置及整定計(jì)算等。短路電流計(jì)算為系統(tǒng)設(shè)計(jì)、新站設(shè)備選型、運(yùn)行方式制定、繼電保護(hù)整定提供依據(jù),電力系統(tǒng)短路電流的計(jì)算具有重大意義[1]。智利198號(hào)法令第26標(biāo)500kV輸變電項(xiàng)目為中國(guó)電建智利分公司與智利Transelec公司簽訂的EPC總承包工程,工程位于智利中部大都會(huì)區(qū),主要內(nèi)容包含2座500kV變電站的擴(kuò)建與44km雙回三分裂500kV導(dǎo)線的更換等。本文的目的是計(jì)算洛阿吉雷變電站中新增的750MVA變壓器的三側(cè)短路電流(見(jiàn)圖1),用于選定設(shè)備容量或額定值。
圖1 洛阿吉雷變電站750MVA變壓器短路電流計(jì)算接線圖
為開(kāi)展研究,考慮了以下假設(shè)和簡(jiǎn)化:所有電源的電動(dòng)勢(shì)相位角相同;在短路期間,網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有拓?fù)渥兓?;變壓器的阻抗與分接開(kāi)關(guān)的不同位置有關(guān); 不考慮短路點(diǎn)的電弧阻抗和變壓器的勵(lì)磁電流;在短路期間,短路類(lèi)型沒(méi)有變化,即三相始終保持三相,單相短路保持單相[2]。
高壓短路電流計(jì)算一般只考慮各元件的電抗,采用標(biāo)幺值計(jì)算?;鶞?zhǔn)容量選取SB=100MVA,基準(zhǔn)電壓UB取各電壓等級(jí)的平均電壓[3],即
UB=Uav=1.05UN
(1)
式(1)中,Uav為平均電壓;UN為額定電壓,高壓側(cè)母線的電壓基準(zhǔn)值UBH=525kV,中壓側(cè)母線的電壓基準(zhǔn)值UBM=230kV,低壓側(cè)母線的電壓基準(zhǔn)值UBL=66kV。
基準(zhǔn)容量SB與基準(zhǔn)電壓UB選定后,基準(zhǔn)電流IB與基準(zhǔn)電抗XB也隨之確定,即:
(2)
(3)
電路元件的標(biāo)幺值為有名值與基準(zhǔn)值之比,計(jì)算公式如下:
(4)
(5)
(6)
(7)
從某一基值容量S1B的標(biāo)幺值化到另一基值容量S2B的標(biāo)幺值:
(8)
從某一基值容量U1B的標(biāo)幺值化到另一基值容量U2B的標(biāo)幺值:
(9)
根據(jù)系統(tǒng)阻抗和變壓器等效阻抗值,可作出正序阻抗圖和零序阻抗圖,如圖2、圖3所示。
圖2 正序阻抗圖
圖3 零序阻抗圖
其中,變壓器短路電壓百分值(均為百分?jǐn)?shù))取Uk12=14,Uk13=39,Uk23=22,故變壓器電抗標(biāo)幺值計(jì)算如下:
(10)
(11)
(12)
變壓器等值電抗標(biāo)幺值計(jì)算如下:
高壓側(cè)等值電抗:
(13)
中壓側(cè)等值電抗:
(14)
低壓側(cè)等值電抗:
(15)
圖4 k1點(diǎn)三相短路正序阻抗圖
圖5 k2點(diǎn)三相短路正序阻抗圖
圖6中涉及的網(wǎng)絡(luò)變換公式為:
圖6 k3點(diǎn)三相短路正序阻抗圖
(16)
(17)
(18)
(19)
圖7 零序阻抗等效圖
其中,圖8和圖9分別表示k1和k2點(diǎn)發(fā)生單相接地短路時(shí)的阻抗等效圖。
圖8 k1發(fā)生單相接地短路零序阻抗等效圖
圖9 k2發(fā)生單相接地短路零序阻抗等效圖
(20)
(21)
(22)
3.6.1 高壓側(cè)母線短路情況
高壓側(cè)母線三相短路時(shí)的短路電流計(jì)算:
(23)
高壓側(cè)母線兩相短路時(shí)的短路電流計(jì)算:
(24)
高壓側(cè)母線兩相接地短路時(shí)的短路電流計(jì)算:
(25)
高壓側(cè)母線單相接地短路時(shí)的短路電流計(jì)算:
(26)
3.6.2 中壓側(cè)母線短路情況
中壓側(cè)母線三相短路時(shí)的短路電流計(jì)算:
(27)
中壓側(cè)母線兩相短路時(shí)的短路電流計(jì)算:
(28)
中壓側(cè)母線兩相接地短路時(shí)的短路電流計(jì)算:
(29)
中壓側(cè)母線單相接地短路時(shí)的短路電流計(jì)算:
(30)
3.6.3 低壓側(cè)母線短路情況
低壓側(cè)母線三相短路時(shí)的短路電流計(jì)算:
(31)
低壓側(cè)母線兩相短路時(shí)的短路電流計(jì)算:
(32)
表1顯示了洛阿吉雷變電站525/230/66kV 750MVA變壓器的設(shè)計(jì)參數(shù)。
表1 洛阿吉雷變電站750MVA變壓器參數(shù)
將上述設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)分別錄入DIgSILENT軟件進(jìn)行運(yùn)算,得出洛阿吉雷變電站的短路水平,數(shù)據(jù)必須針對(duì)以下類(lèi)型的故障評(píng)估短路電流:①三相短路;②兩相短路;③兩相對(duì)地短路;④單相對(duì)地短路。其中,最大對(duì)稱短路電流以加粗字體突出顯示。
本文在洛阿吉雷變電站中對(duì)變壓器進(jìn)行了短路電流研究,并考慮電力系統(tǒng)的遠(yuǎn)景發(fā)展計(jì)劃,一般為本期工程建成后5~10年,確定短路電流時(shí),應(yīng)按可能發(fā)生最大短路電流的正常接線方式進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)表2、表3、表4、表5數(shù)據(jù)可知,預(yù)計(jì)2033年的最大短路電流對(duì)應(yīng)于表6的結(jié)果。
表2 三相短路結(jié)果
表3 兩相短路結(jié)果
表4 兩相對(duì)地短路結(jié)果
表5 單相對(duì)地短路結(jié)果
表6 最大短路電流結(jié)果
表7 電壓系數(shù)
使用該計(jì)算方法,可不考慮非旋轉(zhuǎn)負(fù)載的運(yùn)行數(shù)據(jù)、變壓器分接頭位置和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁方式,并且無(wú)須對(duì)短路前可能的潮流分布進(jìn)行計(jì)算。我國(guó)參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60909并發(fā)布了GB-T 15544.1,其中短路電流計(jì)算方法便是等效電壓源法。
變電站中可以采取的短路電流限制措施一般包括:變壓器分裂運(yùn)行;采用串聯(lián)電抗器或其他限流設(shè)備;變壓器的低壓側(cè)選用分裂繞組。在中性點(diǎn)接地的電力網(wǎng)絡(luò)中,以一相對(duì)地的短路故障最多,約占全部故障的90%,為限制單相短路電流,還可以采用變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地、限制或不采用自耦變壓器、限制變壓器中性點(diǎn)接地的數(shù)量等方法。
絕緣損壞和故障會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)短路,主配電板母線或主線短路時(shí),會(huì)出現(xiàn)比正常電流高出數(shù)倍的短路電流,短路產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力和熱效應(yīng)會(huì)對(duì)其他電氣設(shè)備及電網(wǎng)造成損壞。 電壓大幅降低,影響電氣設(shè)備的使用,從而危及電氣安全和人身安全。為保證系統(tǒng)在短路情況下的穩(wěn)定性、可靠性和持續(xù)性,實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的選擇性保護(hù),必須計(jì)算系統(tǒng)故障后的短路電流。
準(zhǔn)確計(jì)算電網(wǎng)各點(diǎn)短路電流值的大小,有助于確定系統(tǒng)保護(hù)策略和方法,合理選擇配電方式和保護(hù)裝置,確保電氣系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)能快速有效地切除短路故障。將故障限制在小范圍內(nèi),防止故障點(diǎn)引起火災(zāi),盡量減少短路故障造成的損壞。
由于系統(tǒng)運(yùn)行模式的影響,短路電流也會(huì)相應(yīng)變化。通過(guò)計(jì)算最大短路電流來(lái)確定系統(tǒng)的耐受能力,尤其是確定斷路器的分?jǐn)嗄芰Α4送?,短路電流?jì)算還有助于驗(yàn)證電力系統(tǒng)電壓等級(jí)選擇的正確性及配電系統(tǒng)選擇的合理性。綜上所述,為保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,短路電流計(jì)算必不可少[5]。
我國(guó)傳統(tǒng)的短路電流計(jì)算方法是建立等效電路后,利用標(biāo)幺值進(jìn)行短路試驗(yàn)計(jì)算,采用標(biāo)幺值的優(yōu)點(diǎn)是能夠簡(jiǎn)化計(jì)算公式,缺點(diǎn)是沒(méi)有量綱,物理概念不清晰。我國(guó)參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60909并發(fā)布了GB-T 15544.1,足以證明我國(guó)對(duì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)可,面對(duì)國(guó)家政策與國(guó)際趨勢(shì),海外市場(chǎng)的開(kāi)拓愈發(fā)重要,要悉心接受?chē)?guó)際化新知識(shí),對(duì)海外工程有更全面的管理和更精確的把控。