短路计算中并联电容以及充电功率的影响研究

龙霏，张轩，林建熙，康李一，葛梦昕，樊友平

(1. 广东电网有限责任公司电力调度控制中心，广东 广州 510600；2. 武汉大学 电气工程学院，湖北 武汉 430072)



短路计算中并联电容以及充电功率的影响研究

龙霏1，张轩1，林建熙1，康李一2，葛梦昕2，樊友平2

(1. 广东电网有限责任公司电力调度控制中心，广东 广州 510600；2. 武汉大学 电气工程学院，湖北 武汉 430072)

摘要：从理论上分析了并联补偿电容和线路充电功率对短路电流计算结果的影响，选取某地区电网“夏大方式”的计算模型和数据进行了仿真分析。仿真结果表明，计及并联电容、充电功率的影响时，短路电流的计算结果均会偏小，验证了理论分析中所得的变化规律。分析并找出本地区计算结果偏差比较大的厂站及偏差原因。最后建议各个电力部门在进行电网规划、运行时要注意协调配合，避免进行短路电流计算时未考虑并联电容或充电功率导致计算值偏于乐观而导致实际运行中短路电流水平超标现象，提升了短路电流理论计算值与实际运行值的契合度。

关键词：短路电流；计算模型；充电功率；并联电容；电网规划

短路电流计算是电力系统规划设计、继电保护整定计算、电气设备选择校验等工作的基础，其计算结果的精确性将直接影响整个电网的安全运行。因此短路电流计算是电力系统分析最重要的内容之一。

目前主要应用BPA电力系统分析软件对广东电网进行短路电流计算。使用BPA程序进行短路电流计算时，采用等效电压源法来计算短路电流[1-4]，初始条件的设置主要包括：是否基于潮流，是否考虑线路充电功率，是否考虑负荷的动态、静态模型，正序是否考虑无功补偿，是否忽略非标准变比等[5-7]。

电网不同部门在进行短路电流计算时，由于计算时所关注的重点不同，因此进行短路电流计算时初始条件的设置往往不同[8-9]。对于短路电流水平裕度较大的站点，不同初始条件下的计算差别对电网运行的影响较小；而对于短路电流水平裕度较低的站点，初始条件设置的差异可能导致有些部门算出的短路电流在允许范围内，而实际中的短路电流已经超过了开关遮断容量。因此需要对于不同初始条件下的短路电流计算的偏差值进行对比研究，使其计算结果更接近于实际值，避免短路电流计算偏于保守而导致实施限流措施中的投资浪费，以及避免短路电流计算偏于乐观可能对电力系统的安全稳定运行造成的影响[10-11]。

本文研究短路电流计算中初始条件设置的不同导致计算结果的偏差对地区电网的影响，主要包括是否计入变电站并联电容以及是否计入线路充电功率，结合机理分析以及仿真分析，根据实际电网的站点情况以及地理接线图，分析了计算结果偏差比较大的站点及其偏差原因，使理论计算的短路电流结果与实际情况更为契合，避免因初始条件设置中未计并联电容或充电功率的影响，导致计算结果偏于保守，从而导致投资浪费情况。研究结果能为后续电网中限流措施的规划提供技术参考。

1变电站模型简介

表1计及并联补偿电容前后500 kV站点等值阻抗和短路电流计算结果

厂站名等值阻抗/Ω不考虑并联电容考虑并联电容等值阻抗差值/Ω短路电流/kA不考虑并联电容考虑并联电容短路电流差值/kA短路电流差异率/%A5.6446.1560.51251.15146.893-4.258-8.32B5.6176.3710.75451.39245.316-6.076-11.82C5.5086.0920.58452.41147.390-5.021-9.58D5.3675.7220.35553.78550.446-3.339-6.21E5.2855.7200.43554.62350.474-4.149-7.60F5.4966.2720.77552.52646.027-6.499-12.37G5.3525.8800.52953.94249.095-4.847-8.99H5.1495.6570.50756.05751.030-5.027-8.97I5.4925.9480.45752.56348.527-4.036-7.68J5.5616.3390.77851.91045.542-6.368-12.27K5.6006.0570.45751.54647.659-3.887-7.54L5.5115.7490.23852.38150.211-2.170-4.14M5.6826.1790.49750.80146.716-4.085-8.04N5.2035.9530.75055.47648.498-6.978-12.58

图1为不考虑变电站并联补偿电容器组以及线路充电功率的500 kV变电站正序等值网络。

图1　500 kV变电站正序等值网络

图中XT1为变压器T形等值电路的正序电抗，变电站主变越多该值越小；XHTS1为高压母线对地正序电抗，表征与该母线相连的所有高压站点的转移电抗大小，即高电压等级电网间电气距离，高电压等级电网电气联系越紧密，该值越小；XLTS1为低压母线对地正序阻抗，表征与低压母线相连的所有站点的转移电抗大小，即低压电网间电气距离，低压电网电气联系越紧密，该值越小；UHS1和ULS1分别为高压侧系统等值电压源、低压侧系统等值电压源。

由于潮流计算大多使用大负荷时的计算网络，所以500 kV变电站内的无功补偿装置均为容性补偿装置，即并联补偿电容器组。装设并联补偿电容器组的目的是补偿电力系统感性无功功率，以提高功率因数，改善电压质量，降低线路损耗[12-13]。

2并联电容的影响

2.1机理分析

500 kV变电站中的并联电容器均装设于主变压器的三次侧，采用双星形或单星形接线[14]，因此对于所研究的500 kV站点来说，计及并联补偿电容器组仅会影响与低压侧母线相连的转移电抗大小。

2.1.1不计并联电容影响

图2为不计并联电容时低压侧支路正序等值网络。其中短路故障点为500 kV侧母线处，短路类型为三相短路；电抗参数为同一基准容量SB下的标幺值。以下各等值网络的条件与此相同。

E″—短路计算时的等效电压源。图2　不计并联电容低压侧支路正序等值网络

不考虑变电站并联补偿时，低压侧支路流入故障点处的短路电流有名值如下式所示，其中UB为故障点处的基准电压。

(1)

2.1.2计及并联电容的影响

图3为计及并联电容低压侧支路正序等值网络，XC为站点并联电容等值电抗。

图3　计及并联电容低压侧支路正序等值网络

当计及变电站并联电容器组的影响时，故障点处的短路电流有名值

(2)

计算可知I″k1

2.2电网仿真分析

运用BPA软件，选取“夏大方式”的某地区电网计算模型和数据，分析无功补偿对短路电流计算的影响，对短路电流裕度较小的500 kV变电站进行仿真分析。

2.2.1电网仿真数据

在是否计及变电站并联补偿电容下的电网短路点等值阻抗以及短路电流计算结果见表1。

2.2.2仿真结果分析

由表1的仿真结果可以得出，与不考虑并联电容影响比较，考虑并联电容时的短路点的等值阻抗较大，短路电流计算值较小，符合计算的分析结果。

由表1中短路电流计算值的差值以及差异率可知，并联电容的计及与否对短路电流的计算值影响较大，考虑并联电容影响的短路电流平均值较不考虑并联电容的短路电流计算结果小4.9 kA，平均差异率为-9.2%。

其中，N、F、J、B等站点偏差在6 kA以上，差异率达到了12%左右。

如图4所示，偏差和差异率较大的这几个站点处于负荷中心区域，主变压器无功损耗和下送无功压力较大，为维持地区电网无功平衡，容性无功补偿容量需求较大，因此站点的容性无功补偿设备配置比例较高，从而使得这些站点短路电流计算值受并联电容的影响较大。

图4　地区电网部分网络结构图

从图4可知，这些站点的电气联系也较为紧密，进一步增加了短路电流计算时变电站容性无功补偿对短路电流计算值的影响。

3线路充电功率的影响

线路太长时，会产生对地电容，由线路的对地电容电流所产生的无功功率，称为线路的充电功率，反映载流线路周围产生的磁场效应[15]。

3.1机理分析

将反映载流线路周围产生的磁场效应的线路总导纳的1/2分别接在电路的始、末端，得到线路的等值电路。发生短路故障时，与母线相连的高、低压侧支路的等值电抗均会受到线路充电功率的影响。3.1.1高压侧支路不计充电功率的影响

表2计及充电功率前后500kV站点等值阻抗和短路电流计算结果

厂站名等值阻抗/Ω不考虑充电功率考虑充电功率等值阻抗差值/Ω短路电流/kA不考虑充电功率考虑充电功率短路电流差异/kA短路电流差异率/%A5.6445.8240.18051.15149.567-1.584-3.10B5.6175.8970.28051.39248.956-2.436-4.74C5.5085.7150.20852.41150.510-1.901-3.63D5.3675.5170.15053.78552.318-1.467-2.73E5.2855.4470.16254.62352.995-1.628-2.98F5.4965.8350.33852.52649.474-3.052-5.81G5.3525.5510.20053.94251.997-1.945-3.61H5.1495.3630.21456.05753.828-2.229-3.98I5.4925.6650.17352.56350.956-1.607-3.06J5.5615.7370.17651.91050.318-1.592-3.07K5.6005.7810.18251.54649.927-1.619-3.14L5.5115.6940.18352.38150.698-1.683-3.21M5.6825.8840.20250.80149.066-1.735-3.42N5.2035.3800.17655.47653.659-1.817-3.28

图5为不计线路充电功率时高压侧支路正序等值网络，XL1为输电线路正序等值电抗。为了便于分析，将XHTS1拆分计算，虚拟一变量XHT1，满足XL1+XHT1=XHTS1。

图5　不计充电功率高压侧支路正序等值网络

不考虑线路充电功率时，500 kV侧相连的系统流入故障点处的短路电流有名值

(3)

3.1.2高压侧支路计及充电功率的影响

图6为计及线路充电功率时高压侧支路正序等值网络，其中XQ为线路一侧对地电容正序等值电抗。

图6　计及充电功率高压侧支路正序等值网络

当仅考虑故障侧的充电功率时，与500 kV侧相连的系统流入故障点处的短路电流有名值

(4)

式中：QL为线路每一侧的充电功率有名值。

当计入线路两侧的充电功率，即忽略静态负荷时，故障点处的短路电流有名值

(5)

其中a1与XHT1、XL1和XQ有关，并且满足a1<1。分析可知：

(6)

3.1.3低压侧支路不计充电功率的影响

图7为不计线路充电功率时低压侧支路正序等值网络，XL1为输电线路正序等值电抗。为了便于分析，将XLTS1拆分计算，虚拟一变量XLT1，满足XL1+ XLT1=XLTS1。

图7　不计充电功率低压侧支路正序等值网络

不考虑线路充电功率时，低压侧相连的系统流入故障点处的短路电流有名值

(7)

3.1.4低压侧支路计及充电功率的影响

图8为计及线路充电功率时低压侧支路正序等值网络。

图8　计及充电功率低压侧支路正序等值网络

当仅考虑故障侧的充电功率时，与低压侧相连的系统流入故障点处的短路电流有名值

(8)

计算可知I″k1

(9)

其中a2与XLT1、XL1、XQ以及XT1有关，并且满足a2<1。分析可知：

(10)

因此当计入线路两侧充电功率时，短路故障点等值阻抗将增大，短路电流计算结果将偏小。

3.2电网仿真分析

采用“夏大方式”的某地区电网计算模型和数据，运用BPA软件，分析线路充电电容对短路电流计算的影响，在地区电网中选出短路电流裕度较小的500 kV变电站进行仿真分析。

3.2.1电网仿真数据

地区电网在是否计及线路充电功率的短路点等值阻抗、短路电流计算结果见表2。

3.2.2结果分析

由表2的仿真结果可以看出，与不考虑线路充电功率相比较，考虑充电功率时短路点的等值阻抗较大，短路电流的计算值较小，与计算的分析结果一致。由表中短路电流计算值的差值以及差异率可知，充电功率的计及与否对短路电流的计算值影响较小，考虑充电功率的影响短路电流值较不考虑充电功率的计算结果小1.8 kA，平均差异率为-3.5%。

偏差量较大的站点包括F、B、H，这些站点的计算偏差量在2 kA以上。

图9为F站及附近站点的地理接线图，由图9可知，F站的出线多达11回。

图9　500 kV F站点进出线示意图

图10是B站及附近站点的地理接线图，图中BJT是B站内的跳通点，其作用是限制B站的短路电流。由图10可知，B站有7回出线，且B站与F站相连，电气距离近，F站会对B站产生很大影响。

图10　500 kV B站点进出线示意图

图11是H站及附近站点地理接线图，XJT是M站内的跳通点，从图11可知，H站有7回出线，且存在多回长距离的输电线路。

图11　500 kV H站点进出线示意图

分析可知，由于这些站点进出线回路数较多，且存在远距离的输电线路，造成了这些站点的线路充电功率较大，因此短路电流计算受充电功率的影响较大。

4结论与建议

通过对比计入并联补偿电容以及线路充电功率影响与否的500 kV地区电网短路电流的仿真结果，本文得出了以下结论：

a) 短路电流计算程序中初始条件设置的改变会对计算结果造成影响。计及并联电容或线路充电功率时，电网等值阻抗都会增大，短路电流的计算值减小。在实际电网中考虑这两个因素的影响时，厂站的并联容性无功补偿设备配置或线路充电功率越大，计算时短路电流减小量越大。

b) 各个电力部门在进行电网规划、运行时要注意协调配合，对于处于负荷中心区域的站点，并联电容的影响较大，对于出线较多且存在长距离输电线路的站点，充电功率的影响较大。对这些站点进行短路电流计算时，避免出现因未计并联电容或充电功率的影响导致计算结果偏于保守，从而导致实施限流措施的资源浪费情况。

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Research on Influence of Shunt Capacitor and Charging Power in Short-circuit Calculation

LONG Fei1, ZHANG Xuan1, LIN Jianxi1, KANG Liyi2, GE Mengxin2, FAN Youping2

(1. Electric Power Dispatching Control Center of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510600, China; 2.School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan, Hubei 430072, China)

Abstract：This paper analyzes influence of shunt compensation capacitor and charging power of the line on calculation result of short-circuit current in theory and selects calculation model and data of maximum operational mode in summaer in some regional power grid for simulating analysis. Simulation results indicate that calculation result of short-circuit current may be relatively small when considering influence of shunt capacitor and charging power which verifies changing laws from theoretical analysis. It also analyzes and finds out power plants and stations with larger deviations of calculation results and reasons for deviations. Finally, it suggests electric power departments to pay attention to coordination and cooperation when carrying out power grid planning and operation so as to avoid short-circuit current exceed the standard in practical operation when making calculation on short-circuit current without considering shunt capacitor and charging power and promote integrating degree of theoretical calculation value and actual operational value.

Key words：short-circuit current; calculation model; charging power; shunt capacitor; power grid planning

收稿日期：2015-11-24修回日期：2016-04-19

基金项目：广东电网有限责任公司科技项目(036000QQ00140003)

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.06.011

中图分类号：TM713

文献标志码：B

文章编号：1007-290X(2016)06-0061-06

作者简介：

龙霏(1985)，女，湖南长沙人。工程师，工学硕士，主要从事电力调度系统运行方面的工作。

张轩(1983)，男，河北石家庄人。高级工程师，工学硕士，主要从事电力系统运行控制及管理工作。

林建熙(1987)，男，广东陆丰人。工程师，工学硕士，主要从事电力系统运行分析与控制工作。

(编辑霍鹏)