魏志龙
惠州电力勘察设计院有限公司 516000
摘要:短路故障是破坏电力系统正常运行的常见原因,简要探讨短路故障的成因及短路电流计算的问题。
关键词:电力系统、短路故障、短路电流
1.短路与短路电流计算意义
在电力系统的设计和运行中,不仅要考虑正常工作状态,而且还必须考虑到发生故障时所造成的不正常工作状态。实际运行表明,破坏供电系统正常运行的故障,多数为各种短路故障。所谓短路,是指供电系统中不等电位的导体在电气上被短接,如相与相之间的短接,或在中性点接地系统中一相或几相与大地相接以及三相四线制系统中相与零线的短接等。当发生短路时,电源电压被短接,短路回路阻抗很小,于是在回路中流通很大的短路电流。?
2.短路产生的原因及危害?
产生短路的主要原因,是供电系统中的绝缘被破坏。在绝大多数情况下,绝缘的破坏是由于未及时发现和消除设备中的缺陷,以及设计、安装和维护不当所造成的。例如过电压、直接雷击、绝缘材料的老化、绝缘配合不当和机械损坏等;运行人员错误操作,如带负荷断开隔离开关或检修后未撤接地线就合断路器等;设备长期过负荷,使绝缘加速老化或破坏;小电流系统中一相接地,未能及时消除故障;在含有损坏绝缘的气体或固体物质地区。未考虑电气间隙与爬电距离(应符合GB)等。此外,在电力系统中的某些事故也可能直接导致短路,如电杆倒塌、导线断线等:或动物、飞禽跨越导体时也会造成短路。?
3.短路电流的计算方法
经典的短路电流计算方法为:取变比为1.0,不考虑线路充电电容和并联补偿,不考虑负荷电流和负荷的影响,节点电压取1.0,发电机空载。短路电流计算的标准主要有IEC标准和ANSI标准,我国采用的是IEC标准。?
国标规定了短路电流的计算方法、计算条件。国标推荐的三相短路电流计算方法是等值电压源法,其计算条件为:(1)不考虑非旋转负载的运行数据和发电机励磁方式;(2)忽略线路电容和非旋转负载的并联导纳:(3)具有分接开关的变压器,其开关位置均视为在主分接位置;(4)不计弧电阻:(5)35kV及以上系统的最大短路电流计算时,等值电压源取标称电压的1.1,但不超过设备的最高运行电压。
采用IEC标准进行短路电流计算时,允许用户任意设定短路电流计算的初值条件。可设定的选项包括:(1)变比选择:1.0或正常变比;(2)考虑充电电容与否;(3)计及并联补偿与否;(4)节点电压值;(5)发电机功率因素。变压器变比增大时,从本母线看出去的变压器变比增加了,变压器支路的等值阻抗将增加,短路电流将减小:反之,变压器支路的等值阻抗将减小,短路电流将增加。变比的大幅变化对短路电流的影响相对较小;除基于潮流的短路电流计算外,短路电流计算一般均不考虑线路充电电容、线路高抗、低压并联电容器、电抗器等设备的影响。考虑并联补偿时,短路电流的变化相对较小,而且,考虑并联补偿后,短路电流的变化有升有降,其中,若是容性补偿占主导影响,短路电流增加,反之,则下降;考虑充电电容时,短路电流的变化幅度较大;若同时考虑充电电容和并联补偿,其影响是两者的叠加;在短路电流计算中,除基于潮流的短路电流计算外,发电机一般设为空载,所以,发电机的空载电势与其端电压相同。若发电机处于负载状态,其空载电势将太子发电机端电压,且在有功功率相同的情况下,功率因素越低,负载率越高,电流越大,空载电势越大,故障前短路点的母线电压也越高,所以,短路电流越大:另外节点电压的变化时,基于等值电压源法的短路电流计算结果与电压值保持线性关系。?
此外,基于潮流的短路电流计算、经典短路电流计算方法以及用IEC推荐的方法(变比不变,节点电压取1.05pu)计算结果也有所不同。经典计算方法所得的短路电流计算结果偏小,有可能给系统埋下不安全的隐患;IEC方法与基于潮流的短路电流结果相差较小,但不同区域的偏差各不相同,也并不一定能反映系统的最大短路电流水平。若换一个思路,改计算节点的最大短路电流为计算其最小等值阻抗,则系统的最小等值阻抗是易于求取的,且能符合系统实际的。在此基础上,根据各节点的最大可能运行电压,去求得该节点的最大短路电流水平,应该是最能反映系统可能的最大短路电流水平的可行方法,据此合理的选择保护系统,确保电路安全正常运行。
在高压供电系统中常采用标么值(相对值)法和兆伏安(MVA)法来计算短路电流;在低压供电系统中,常采用有名值法(绝对值法或欧姆法)来计算低压回路短路电流。
兆伏安法即短路容量法,也叫短路功率法,是因在短路计算中以元件的短路容量来代替元件的阻抗而得名。兆伏安法实质上是欧姆法的变形,欧姆法的计算公式:Id=Ub/Z,即短路电流Id大小完全取决于阻抗Z。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆而短路容量为Sd=Ub2/Z,在无限大电源容量系统中Ub为常数,因此Sd∝1/Z,可见以元件的短路容量来替代其阻抗,与阻抗一样可表述元件在短路中的作用。
标么值法也叫相对值法,某一物理量的相对值为该物理量的实际值与某一选定的同单位的基准值之比。基准值有四个,即基准容量(常取?100MVA),基准电压Ub=1.05UN,基准电流Ib=Sb/Ub,基准电抗Xb=Ub/Ib=Ub2/Sb。
欧姆法又叫有名单位制法,它是由于短路计算中的阻抗都采用有名单位“欧姆”而得名。用欧姆法计算短路电路的总阻抗必须把所有元件阻抗换算成欧姆值,凡通过变压器互连的网络应各电压元件的欧姆值统一算到短路点所处电压的欧姆值。
三种方法计算结果是相同的,兆伏安法计算短路电流,具有运算简单,不要记忆很多公式,不易出错等优点,在计算不对称短路电流及大型电动机起动压降时更能体现出其简便准确的优点。
标么值法计算过程较为繁琐。
欧姆法计算过程也较为简单:先求出各元件的阻抗值,然后根据公式计算出三相短路电流及短路容量。
4.影响短路电流计算的因素?
4.1.电力系统的阻抗值
电力系统的阻抗值,可由当地电业部门供给,但一般电力系统的电阻很小,可略去不计。电力系统的电抗值可由系统变电所高压馈电母线上的最大短路容量来求出。在高压电路中,电抗远比电阻大,所以一般只考虑电抗,不计电阻。而在低压网络中一般不允许忽略电阻的影响,只有当短路电路的R≤X/3,才允许不计电阻值。低压网络的短路阻抗一般很小,通常以mΩ计。
低压元件如不太长的电缆和母线、线圈型电流互感器的一次线圈、自动空气开关的过电流脱扣线圈及开关的触头等的阻抗,对低压短路电流的大小都有影响,但为了简化计算(使短路电流值偏于安全,容许不考虑占回路总阻抗不超过10%的元件),在一般短路计算中均可略去不计。
在利用标么值法或欧法计算短路电路的阻抗时,假如电路内含有变压器,?则电路内的各元件的阻抗都应该统一换算到短路计算点的平均额定电压上去。
4.2.电路中参数的变化
在计算短路电流时,电路中各种参数的变化是很复杂的,影响的因素也很多,为简化计算,在不影响工程计算精确度的情况下,常忽略一些因素的影响。
认为变压器为理想变压器,不考虑励磁电流的影响;系统各元件的分布电容忽略不计。
以供电电源为基准的电抗标么值大于3,可认为电源容量为无限大的系统,短路电流的周期分量在短路全过程中保持不变。?
短路前系统应是正常运行情况下的接线方式,不考虑在切换过程中短时出现的接线方式。
设定短路回路各元件的感抗为一常数,计算中只考虑电抗,不考虑有效电阻。只有当网络中总电阻大于总电抗1/3时,才计及有效电阻。
假定短路发生在短路电流为最大值的瞬间;所有电源的电动势相位角相同,电源都在额定负荷下运行。
4.3.异步电动机反馈电流
当电网短路时,异步电动机有时可能向短路点反馈电流,因为短路时,电网电压下降,若电动机离短路点较远时,其电势可能小于外加电压,电动机继续从电网吸收功率,仅是电动机转速下降而已。当电动机电势大于外加电压,此时电动机和发电机一样,向短路点馈送电流。但由于反馈电流将电动机迅速制动,所以反馈衰减很快。当异步电动机的容量较小时,对短路冲击电流影响较小,一般不予考虑。只有在靠近短路点处有大于1MW以上的电动机,或接于一处总容量大于1MW的几台电动机,在计算短路冲击电流时,才把它们当作附加电源来考虑。
5.结论?
总之,在深入研究短路电流计算标准的基础上,比较了不同短路电流计算条件对短路电流计算结论的影响,以期能为电网短路电流的计算和限制提供更切合实际的方法和思路。
参考文献
[1]《电力工程电气设计手册》上册,水利电力部西北电力设计院编,水利电力出版社出版,1989年12月第一版。
[2]《中小型变电站实用设计手册》,丁毓山、雷振山主编,中国水利水电出版出版,2000年6月第一版。
[3]《中小型水电站电气设计手册》,许建安主编,中国水利水电出版出版,2002年4月第一版。
论文作者:魏志龙
论文发表刊物:《探索科学》2016年5期
论文发表时间:2016/9/5
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