电力系统情况未知时接入系统方案短路分析

赵大伟，魏宏伟

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

0 引言

由于各个国家电力水平不尽相同，尤其是电网水平相对落后的第三世界国家，一些大功率设备接入后经常出现接入点系统短路、容量达不到要求的情况，因此在国外项目中，短路分析尤为重要，系统短路分析也是评估接入方案供电能力的指标。短路电流计算可以用于熔断器的选型，防止设备烧坏，为系统设计、新建站设备选型、运行方式制定以及继电保护整定等环节提供依据。

本文以某国120 kV变电站接入方案为例，在未知电力系统条件下，进行初步的短路分析，并对相关设计经验进行总结。

1 短路计算方法

1.1 标幺值法

电力系统短路分析通常采用标么值法。标幺值是相对于某一基准值而言的，同一有名值，基准值选取不同，其标幺值也不同。根据所选择的基准量，用标幺值来表示电力系统中各元件的参数。标幺值法在短路计算中大量应用，其主要有以下优点。

(1)三相电路的计算公式与单相电路的计算公式完全相同，线电压的标幺值与相电压的标幺值相等，三相功率的标幺值和单相功率的标幺值相等。

(2)只需确定各电压等级的基准值，而后直接在各自的基准值下计算标幺值，不需要折算参数和计算结果。

(3)对于低压系统，功率的标幺值远小于1。

(4)用标幺值后，电力系统的元件参数比较接近，易于进行计算和比较分析结果。

(5)可以省去公式中的比例系数，使计算简化。

1.2 各元件电抗标幺值的计算

(1)三相绕组变压器电抗标幺值计算。

式中:UK1%，UK2%，UK3% 分别为各相的阻抗电压百分比;UK(1－2)% ，UK(2－3)% ，UK(1－3)% 为每对绕组的阻抗电压百分比。

三相绕组变压器电抗标幺值分别为

式中:XT1*，XT2*，XT3*为三相绕组变压器电抗标幺值;SB为系统基准容量;SN为变压器额定容量。

(2)架空线路电抗标幺值计算。

架空线路电抗值为

式中:X为架空线路单位电抗;L为架空线路长度。架空线路电抗标幺值为

(3)系统阻抗标幺值为

式中:SS为系统接入点短路容量。

2 国外电力工程项目收集资料问题

国外电力工程项目与国内不同，在资料收集方面面临如下几个问题。

(1)由于国情和历史各不相同，各国电力系统在运营管理等方面与国内不同，在资料收集阶段经常出现找不对或找不全部门的情况，出现资料收集不全、甚至收集错误等现象。

(2)国外项目筹备时间很长，1个项目从规划到正式实施往往相隔数年，早期收集的资料可能已发生变化，受工期制约往往不能及时更新。

(3)国外项目出国人数和时间受到限制，因语言不同而造成技术沟通效率较低，经常将资料清单交给相关人员代为收集，也是资料不能及时提供的原因之一。

(4)国外项目受外部制约因素很多(如政治风险、市场需求变动、经济形势不稳定、政策和法律变动等)，而项目一旦实施就要求在最短时间内产生效益，工期要求非常紧张，甚至存在边设计边施工的现象，工期的紧张也是造成资料不能及时更新或收集不到位的原因之一。

(5)由于国外项目建设环境复杂，不确定因素多，经常出现设计方案临时调整的情况，这也是造成资料收集不全的重要原因。

由于受到国外工程项目客观条件的限制，在设计中往往存在对对方电力系统不完全了解的情况，尤其是接入电力系统方案不稳定，对设计影响非常大，有时要在未知电力系统条件下进行接入系统方案分析。本文主要是针对此问题进行探讨。

3 电力系统情况未知时短路容量估算方法

(1)系统短路容量按上级变电站出口断路器额定电流考虑，设上级变电站出口断路器额定电流为Ir，额定电压为UN，则系统短路容量为

(2)系统短路容量按无穷大考虑，则SS=∞ 。

(3)系统短路容量按经验值考虑。

根据文献［1］，系统短路容量经验值为:

1)6～10 kV，系统短路容量经验值为500 MV·A;

2)35 kV，系统短路容量经验值为 1500 MV·A;

3)110 kV，系统短路容量经验值为 8000 MV·A;

4)220 kV，系统短路容量经验值为20000 MV·A。

4 算例

以作者做过的刚果(金)某矿业项目中的电力配套工程为例，详细阐述短路计算方法，并将各种假设系统短路容量条件与真实系统短路容量计算结果进行比较。刚果(金)120 kV变电站主变压器技术参数见表1(参照GB 6451—2008《三相油浸式电力变压器技术参数和要求》)。

表1 主变压器技术参数

(1)短路计算基本假设。

1)正常工作时，三相系统对称运行。

2)所有电源的电动势相位角相同。

3)电力系统中各元件的磁路不饱和，即带铁芯的电气设备电抗值不随电流大小发生变化。

4)不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流。

5)元件的电阻、负荷的影响、输电线路的电容略去不计。

6)系统短路为金属性短路。

(2)高压短路电流计算一般只计算各元件的电抗，采用标幺值进行计算，为了计算方便，选取基准容量SB=100 MV·A，基准电压分别为10.5 kV，37.0 kV，126.0 kV。

(3)计算变压器各绕组电抗标幺值。变压器120 kV侧绕组阻抗电压百分数

变压器35 kV侧绕组阻抗电压百分数

变压器10 kV侧绕组阻抗电压百分比

则三绕组变压器电抗标幺值分别为

(4)计算线路阻抗标幺值。

从刚果(金)电网120kV变电站引出1回架3×LGJ－150空线为新建的120kV变电站供电，架空线长度为15 km，架空线路单位电抗为0.341，线路电抗值为

其标么值为

(5)计算系统阻抗标幺值。

在未知电力系统条件下，接入点处短路容量可作以下几种假设。

1)系统短路容量按上级变电站出口断路器额定电流考虑。由于接入刚果(金)电网120 kV电力系统，其出口断路器额定电流为25 kA，所以系统短路容量估算

系统短路电抗标幺值为

2)系统短路容量按无穷大考虑

上级系统短路容量按无穷大考虑，则SS=∞，系统短路电抗标幺值为XS*=0。

3)系统短路容量按经验值考虑

根据国内经验值，110 kV系统短路容量为8000 MV·A，则系统短路电抗标幺值为

(6)等值网络。

系统短路容量按上级变电站出口断路器额定电流25 kA考虑的系统等值网络如图1所示。

图1 系统等值网络

(7)短路计算。

1)d1点短路。

次暂态短路电流标幺值为

次暂态短路电流有名值为

冲击电流为

全电流最大有效值为

短路容量为

2)d2点短路。

次暂态短路电流标幺值为

次暂态短路电流有名值为

冲击电流为

全电流最大有效值为

短路容量为

3)d3短路。

次暂态短路电流标幺值为

次暂态短路电流有名值为

冲击电流为

全电流最大有效值为

短路容量为

系统阻抗按无穷大考虑与按经验值考虑的计算过程相同。

5 计算结果比较

根据假定的系统容量不同，得出的各点短路电流和短路容量也不相同，计算结果见表2。

表2 不同假定条件下短路计算数据比较

6 结论

各国的电力系统情况各不相同，尤其是电力系统相对薄弱的第三世界国家，参照我国的电力系统设计经验值或者按照系统无穷大考虑得出的结果与实际值偏差较大，采用上级变电站出口断路器额定电流值推算系统短路容量得出的数据相对准确。

系统短路容量对变电所高压侧影响较大，对于中压侧和低压侧影响较小，采用何种假定条件中低压侧短路容量和短路电流与实际值偏差不大，具有一定的参考价值。

［1］刘传彝.电力变压器设计计算方法与实践［M］.沈阳:辽宁科学技术出版社，2002.

［2］郭玲丽.境外电力工程项目投资风险分析及其防范措施研究［D］.北京:华北电力大学，2010.

［3］电力工业部电力规划设计总院.电力系统设计手册［M］.北京:中国电力出版社，1998.