IEC60909標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)用短路電流算法的比較

董洪穩(wěn)

（海洋石油工程股份有限公司）

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)際影響力和工程建設(shè)技術(shù)實(shí)力不斷提高，國(guó)內(nèi)工程和設(shè)計(jì)公司在越來(lái)越多的大型國(guó)際工程中標(biāo)、落地。工程項(xiàng)目電力系統(tǒng)的短路電流計(jì)算是電氣設(shè)計(jì)和運(yùn)行中的重要環(huán)節(jié)，利用網(wǎng)絡(luò)元件的電磁暫態(tài)模型進(jìn)行短路電流計(jì)算，方法復(fù)雜且計(jì)算量大［1］。目前國(guó)內(nèi)工程設(shè)計(jì)短路電流的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)或方法主要有IEC標(biāo)準(zhǔn)［2］和傳統(tǒng)實(shí)用計(jì)算法 （運(yùn)算曲線法）［3］。分析兩種算法概念、電流值計(jì)算方法及結(jié)果的差異，對(duì)于短路電流計(jì)算在國(guó)際工程上的應(yīng)用有參考及指導(dǎo)意義。

1 兩種短路電流計(jì)算方法介紹

1.1 IEC標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算法

IEC60909標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算法目前在國(guó)際上廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)已在獨(dú)資、合資項(xiàng)目和對(duì)外工程設(shè)計(jì)中使用。IEC標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算采用等效電壓源法，網(wǎng)絡(luò)短路點(diǎn)用一個(gè)等效電壓源代替，該電壓源為網(wǎng)絡(luò)的唯一電壓源［4］，對(duì)于遠(yuǎn)端和近端短路均可適用，在短路點(diǎn)處標(biāo)稱電壓Un前加了一個(gè)電壓系數(shù)C，它是考慮到電壓的變化，不計(jì)設(shè)備與線路電容、旋轉(zhuǎn)電機(jī)的次暫態(tài)特性變化等因素。其他電源，如同步發(fā)電機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)和饋電網(wǎng)絡(luò)的電勢(shì)等都視為0，并用自身內(nèi)阻抗代替。

電力系統(tǒng)電源，所有旋轉(zhuǎn)的電機(jī) （發(fā)電機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)等），短路時(shí)可瞬時(shí)逆變運(yùn)行的靜止換流器裝置等均作為電源處理，即作為網(wǎng)絡(luò)元件，對(duì)穩(wěn)態(tài)短路電流，則同步電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)及靜止換流器無(wú)影響，即不作為網(wǎng)絡(luò)元件。

1.2 傳統(tǒng)實(shí)用計(jì)算法

實(shí)用短路電流計(jì)算法是建立在國(guó)產(chǎn)同步發(fā)電機(jī)參數(shù)和容量配置的基礎(chǔ)上，針對(duì)我國(guó)的電機(jī)參數(shù)有較強(qiáng)的實(shí)用性，用概率統(tǒng)計(jì)方法，制訂了短路電流周期分量運(yùn)算曲線，計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)便，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)。應(yīng)用實(shí)用法計(jì)算電力系統(tǒng)進(jìn)行近端短路電流時(shí)，用各發(fā)電機(jī)的X″d作為其等值電抗，網(wǎng)絡(luò)中負(fù)荷不計(jì)，進(jìn)行等值網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)，得到只含有發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)節(jié)點(diǎn)和短路點(diǎn)的簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算出各電源對(duì)短路點(diǎn)間的轉(zhuǎn)移阻抗。利用計(jì)算電抗查運(yùn)算曲線求得各電源到短路點(diǎn)的短路電流標(biāo)幺值。短路點(diǎn)的總電流為各發(fā)電機(jī)電源對(duì)短路點(diǎn)的短路電流標(biāo)幺值換算得到的有名值之和。

2 IEC標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)用計(jì)算法的短路電流計(jì)算比較

通過(guò)在近端短路、遠(yuǎn)端短路，故障前電壓、元件阻抗、結(jié)構(gòu)區(qū)分等方面以及短路電流值計(jì)算方法上比較兩種短路電流計(jì)算。

對(duì)于IEC標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算法，至少有一臺(tái)同步電機(jī)供給短路點(diǎn)的短路電流初始值超過(guò)這臺(tái)發(fā)電機(jī)額定電流的2倍，或電動(dòng)機(jī)反饋到短路點(diǎn)電流值超過(guò)不接電動(dòng)機(jī)時(shí)該點(diǎn)的短路電流初始值5%時(shí)，對(duì)于實(shí)用算法計(jì)算用電抗Xc＜3.45時(shí)，認(rèn)為近端短路，反之則認(rèn)為遠(yuǎn)端短路。

2.1 近端短路對(duì)稱短路電流初始值I″k計(jì)算

2.1.1 IEC標(biāo)準(zhǔn)算法

三相交流系統(tǒng)短路電流的大小不但取決于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，還與短路前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)密切相關(guān)。IEC標(biāo)準(zhǔn)由計(jì)算公式：

來(lái)計(jì)算對(duì)稱短路電流初始值。

系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，發(fā)電機(jī)總有一個(gè)暫態(tài)過(guò)程，尤其靠近發(fā)電機(jī)端短路時(shí)，短路瞬間發(fā)電機(jī)有較大的次暫態(tài)電勢(shì)，不應(yīng)忽視。IEC算法雖然用了一個(gè)等效電壓源但為此引入了阻抗校正系數(shù)K，經(jīng)校正后的阻抗，與電壓源一起作網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)電流計(jì)算，所推導(dǎo)的結(jié)果與利用次暫態(tài)電勢(shì)和次暫態(tài)電抗一起作穩(wěn)態(tài)短路電流計(jì)算的結(jié)果一致。

2.1.2 傳統(tǒng)實(shí)用算法

實(shí)用算法計(jì)算短路阻抗時(shí)忽略了電阻，利用計(jì)算用電抗Xc，通過(guò)查運(yùn)算曲線來(lái)計(jì)算對(duì)稱短路電流初始值。在0.12≤Xc≤3.45的范圍內(nèi)，都能查到對(duì)應(yīng)的短路電流標(biāo)幺值，在此范圍之外時(shí)，實(shí)用算法未考慮短路瞬間的暫態(tài)變化，缺少了故障分量。當(dāng)短路發(fā)生在發(fā)電機(jī)端時(shí)，短路點(diǎn)內(nèi)無(wú)負(fù)荷，只包含發(fā)電機(jī)本身的故障分量，而運(yùn)算曲線上對(duì)應(yīng)的電流值是按照50%的負(fù)荷處短路，經(jīng)過(guò)了50%的負(fù)荷電流，當(dāng)短路初始時(shí)刻，次暫態(tài)電勢(shì)起到作用，使得曲線上查得數(shù)值偏小［5］。

相對(duì)比較，傳統(tǒng)實(shí)用算法更加簡(jiǎn)便，IEC標(biāo)準(zhǔn)算法計(jì)算得到I″k值更加接近理論值，同時(shí)避免查曲線時(shí)的誤差。

2.2 近端短路對(duì)稱短路電流峰值ip計(jì)算

2.2.1 IEC標(biāo)準(zhǔn)算法

IEC標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算三相短路，各饋電支路對(duì)短路電流峰值的饋入，均可表示為如下計(jì)算公式：

式中計(jì)算系數(shù)k，由 R／X或 X／R決定，計(jì)算公式為：

2.2.2 傳統(tǒng)實(shí)用算法

實(shí)用算法對(duì)稱短路電流峰值可按如下公式計(jì)算：

式中Tf為直流分量衰減時(shí)間常數(shù)，在工程設(shè)計(jì)中Kp的取值如下：

1）短路發(fā)生在發(fā)電機(jī)端時(shí)，取Kp＝1.9。

2）短路發(fā)生在發(fā)電廠高壓側(cè)母線時(shí)取，取Kp＝1.85。

3）短路點(diǎn)遠(yuǎn)離發(fā)電廠時(shí)，取Kp＝1.8。

由于在短路過(guò)程中，各支路的時(shí)間常數(shù)不同，峰值系數(shù)也不同，從兩種方法的計(jì)算公式中可以看出，IEC算法用校正后的阻抗比R／X來(lái)計(jì)算Tf，從而考慮了不同支路的峰值計(jì)算系數(shù)k，考慮了短路電流周期分量在前半波內(nèi)衰減的不同程度；而實(shí)用算法所有支路峰值系數(shù)Kp按上面三種固定情況考慮，計(jì)算結(jié)果往往偏大。

對(duì)比而言，IEC算法有針對(duì)性的關(guān)注暫態(tài)過(guò)程，計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確，實(shí)用算法更便捷。

2.3 遠(yuǎn)端短路時(shí)對(duì)稱短路電流計(jì)算

遠(yuǎn)端短路時(shí)，可認(rèn)為預(yù)期短路電流對(duì)稱交流分量的值在短路過(guò)程中基本保持不變，電路中阻抗變化不大，可不考慮暫態(tài)過(guò)程。對(duì)稱短路電流初始值I″k及非周期分量的計(jì)算，兩種算法基本一致；在計(jì)算對(duì)稱短路電流峰值ip時(shí)，IEC標(biāo)準(zhǔn)算法考慮了不同支路的時(shí)間常數(shù)及峰值計(jì)算系數(shù)，使得結(jié)果更加準(zhǔn)確。

3 結(jié)論

通過(guò)比較在近端和遠(yuǎn)端短路時(shí)，兩種短路電流算法，從計(jì)算公式和輸入條件方面，分析了短路電流計(jì)算結(jié)果差別的原因。IEC算法更加貼近理論值，而傳統(tǒng)實(shí)用算法較為簡(jiǎn)便?？紤]到國(guó)際工程項(xiàng)目市場(chǎng)的前景及IEC標(biāo)準(zhǔn)算法的國(guó)際認(rèn)可度，IEC標(biāo)準(zhǔn)算法將在設(shè)計(jì)行業(yè)內(nèi)積極推廣，也將會(huì)在更多國(guó)際項(xiàng)目中應(yīng)用。