淺析變壓器三側(cè)短路電流計算的一種方法

陳 虹 余晨翔

(中國電建集團(tuán)福建工程有限公司，福建 福州 350018)

1 概述

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；確定中性點接線方式、選擇繼電保護(hù)裝置及整定計算等。短路電流計算為系統(tǒng)設(shè)計、新站設(shè)備選型、運行方式制定、繼電保護(hù)整定提供依據(jù)，電力系統(tǒng)短路電流的計算具有重大意義[1]。智利198號法令第26標(biāo)500kV輸變電項目為中國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變壓器短路電流計算接線圖

2 研究假設(shè)和簡化

為開展研究，考慮了以下假設(shè)和簡化：所有電源的電動勢相位角相同；在短路期間，網(wǎng)絡(luò)沒有拓?fù)渥兓?；變壓器的阻抗與分接開關(guān)的不同位置有關(guān)； 不考慮短路點的電弧阻抗和變壓器的勵磁電流；在短路期間，短路類型沒有變化，即三相始終保持三相，單相短路保持單相[2]。

3 研究計算方法

3.1 基準(zhǔn)值計算

高壓短路電流計算一般只考慮各元件的電抗，采用標(biāo)幺值計算?；鶞?zhǔn)容量選取SB=100MVA，基準(zhǔn)電壓UB取各電壓等級的平均電壓[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)

3.2 各元件參數(shù)標(biāo)幺值的計算

電路元件的標(biāo)幺值為有名值與基準(zhǔn)值之比，計算公式如下：

(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)

3.3 網(wǎng)絡(luò)變換

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)幺值計算如下：

(10)

(11)

(12)

變壓器等值電抗標(biāo)幺值計算如下：

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)

3.4 短路點短路時的正序阻抗等效圖

圖4 k1點三相短路正序阻抗圖

圖5 k2點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點三相短路正序阻抗圖

(16)

(17)

(18)

(19)

3.5 各短路點短路時的零序阻抗計算

圖7 零序阻抗等效圖

其中，圖8和圖9分別表示k1和k2點發(fā)生單相接地短路時的阻抗等效圖。

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 各故障點在不同情況下的短路電流

3.6.1 高壓側(cè)母線短路情況

高壓側(cè)母線三相短路時的短路電流計算：

(23)

高壓側(cè)母線兩相短路時的短路電流計算：

(24)

高壓側(cè)母線兩相接地短路時的短路電流計算：

(25)

高壓側(cè)母線單相接地短路時的短路電流計算：

(26)

3.6.2 中壓側(cè)母線短路情況

中壓側(cè)母線三相短路時的短路電流計算：

(27)

中壓側(cè)母線兩相短路時的短路電流計算：

(28)

中壓側(cè)母線兩相接地短路時的短路電流計算：

(29)

中壓側(cè)母線單相接地短路時的短路電流計算：

(30)

3.6.3 低壓側(cè)母線短路情況

低壓側(cè)母線三相短路時的短路電流計算：

(31)

低壓側(cè)母線兩相短路時的短路電流計算：

(32)

4 變壓器數(shù)據(jù)

表1顯示了洛阿吉雷變電站525/230/66kV 750MVA變壓器的設(shè)計參數(shù)。

表1 洛阿吉雷變電站750MVA變壓器參數(shù)

5 結(jié)果

將上述設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)分別錄入DIgSILENT軟件進(jìn)行運算，得出洛阿吉雷變電站的短路水平，數(shù)據(jù)必須針對以下類型的故障評估短路電流：①三相短路；②兩相短路；③兩相對地短路；④單相對地短路。其中，最大對稱短路電流以加粗字體突出顯示。

6 結(jié)論

本文在洛阿吉雷變電站中對變壓器進(jìn)行了短路電流研究，并考慮電力系統(tǒng)的遠(yuǎn)景發(fā)展計劃，一般為本期工程建成后5～10年，確定短路電流時，應(yīng)按可能發(fā)生最大短路電流的正常接線方式進(jìn)行計算，根據(jù)表2、表3、表4、表5數(shù)據(jù)可知，預(yù)計2033年的最大短路電流對應(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 兩相對地短路結(jié)果

表5 單相對地短路結(jié)果

表6 最大短路電流結(jié)果

7 國際標(biāo)準(zhǔn)IEC關(guān)于短路電流的計算方法

表7 電壓系數(shù)

使用該計算方法，可不考慮非旋轉(zhuǎn)負(fù)載的運行數(shù)據(jù)、變壓器分接頭位置和發(fā)電機(jī)勵磁方式，并且無須對短路前可能的潮流分布進(jìn)行計算。我國參照國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60909并發(fā)布了GB-T 15544.1，其中短路電流計算方法便是等效電壓源法。

8 變電站短路電流限制措施

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。在中性點接地的電力網(wǎng)絡(luò)中，以一相對地的短路故障最多，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、限制變壓器中性點接地的數(shù)量等方法。

9 結(jié)束語

絕緣損壞和故障會導(dǎo)致電力系統(tǒng)短路，主配電板母線或主線短路時，會出現(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)會對其他電氣設(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，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的選擇性保護(hù)，必須計算系統(tǒng)故障后的短路電流。

準(zhǔn)確計算電網(wǎng)各點短路電流值的大小，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)，防止故障點引起火災(zāi)，盡量減少短路故障造成的損壞。

由于系統(tǒng)運行模式的影響，短路電流也會相應(yīng)變化。通過計算最大短路電流來確定系統(tǒng)的耐受能力，尤其是確定斷路器的分?jǐn)嗄芰?。此外，短路電流計算還有助于驗證電力系統(tǒng)電壓等級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)定運行，短路電流計算必不可少[5]。

我國傳統(tǒng)的短路電流計算方法是建立等效電路后，利用標(biāo)幺值進(jìn)行短路試驗計算，采用標(biāo)幺值的優(yōu)點是能夠簡化計算公式，缺點是沒有量綱，物理概念不清晰。我國參照國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60909并發(fā)布了GB-T 15544.1，足以證明我國對國際標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)可，面對國家政策與國際趨勢，海外市場的開拓愈發(fā)重要，要悉心接受國際化新知識，對海外工程有更全面的管理和更精確的把控。