淺談電力系統(tǒng)運行中的短路故障與短路電流計算

論文摘要　短路故障是破壞電力系統(tǒng)正常運行的常見原因，簡要探討短路故障的成因及短路電流計算的問題。
　　　　　　
　　在電力系統(tǒng)的設(shè)計和運行中，不僅要考慮正常工作狀態(tài)，而且還必須考慮到發(fā)生故障時所造成的不正常工作狀態(tài)。實際運行表明，破壞供電系統(tǒng)正常運行的故障，多數(shù)為各種短路故障。所謂短路，是指供電系統(tǒng)中不等電位的導(dǎo)體在電氣上被短接，如相與相之間的短接，或在中性點接地系統(tǒng)中一相或幾相與大地相接以及三相四線制系統(tǒng)中相與零線的短接等。當(dāng)發(fā)生短路時，電源電壓被短接，短路回路阻抗很小，于是在回路中流通很大的短路電流。
　　三相短路電流計算是電力系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計、運行中必須進行的計算分析工作。目前，三相短路電流超標(biāo)問題已成為困擾國內(nèi)許多電網(wǎng)運行的關(guān)鍵問題。然而，在進行三相短路電流計算時，各設(shè)計、運行和研究部門采用的計算方法各不相同，這就有可能造成短路電流計算結(jié)論的差異和短路電流超標(biāo)判斷的差異，以及短路電流限制措施的不同。如果短路電流計算結(jié)果偏于保守，有可能造成不必要的投資浪費：若偏于樂觀，則將給系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行埋下災(zāi)難性的隱患。因而，在深入研究短路電流計算標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，比較了不同短路電流計算條件對短路電流計算結(jié)論的影響，以期能為電網(wǎng)短路電流的計算和限制提供更切合實際的方法和思路。
　　
　　一、短路產(chǎn)生的原因及危害
　　
　　產(chǎn)生短路的主要原因，是供電系統(tǒng)中的絕緣被破壞。在絕大多數(shù)情況下，絕緣的破壞是由于未及時發(fā)現(xiàn)和消除設(shè)備中的缺陷，以及設(shè)計、安裝和維護不當(dāng)所造成的。例如過電壓、直接雷擊、絕緣材料的老化、絕緣配合不當(dāng)和機械損壞等；運行人員錯誤操作，如帶負(fù)荷斷開隔離開關(guān)或檢修后未撤接地線就合斷路器等；設(shè)備長期過負(fù)荷，使絕緣加速老化或破壞；小電流系統(tǒng)中一相接地，未能及時消除故障；在含有損壞絕緣的氣體或固體物質(zhì)地區(qū)。未考慮電氣間隙與爬電距離(應(yīng)符合GB)等。此外，在電力系統(tǒng)中的某些事故也可能直接導(dǎo)致短路，如電桿倒塌、導(dǎo)線斷線等：或動物、飛禽跨越導(dǎo)體時也會造成短路。
　　短路電流越大，持續(xù)時間越長，對故障設(shè)備的破壞程度越大。短路電流所產(chǎn)生的電動力能形成很大的破壞力，如果導(dǎo)體和它們的支架不夠堅固，可能遭到難以修復(fù)的破壞：這樣大的短路電流即使通過的時間很短，也會使設(shè)備和導(dǎo)體引起不能允許的發(fā)熱，從而損壞絕緣，甚至使金屬部分退火、變形或燒壞。短路時由于很大的短路電流流經(jīng)過網(wǎng)路阻抗，必將使網(wǎng)路產(chǎn)生很大的電壓損失。如為金屬性短路，短路點電壓為零，短路點以上各處的電壓也要相應(yīng)降低很多，一旦電壓低于額定電壓40％以上時，就會使供電受到嚴(yán)重影響或被迫中斷；若在發(fā)電廠附近發(fā)生短路，還可能使全電力系統(tǒng)運行解列，引起嚴(yán)重后果。接地短路時，接地相出現(xiàn)的短路電流為不平衡電流，該電流所產(chǎn)生的磁通將對鄰近平行的通訊線路感應(yīng)出附加電勢，干擾通訊，嚴(yán)重時，將危及通訊設(shè)備和人身的安全。
　　為了限制發(fā)生短路時所造成的危害和故障范圍的擴大，需要在供電系統(tǒng)中加裝保護，以便在故障發(fā)生時，自動而快速地切斷故障部分，以保障系統(tǒng)安全正常運行。這就需要我們準(zhǔn)確的計算短路電流的大小。

二、短路電流的計算及影響計算結(jié)果的因素
　　
　　經(jīng)典的短路電流計算方法為：取變比為1.0，不考慮線路充電電容和并聯(lián)補償，不考慮負(fù)荷電流和負(fù)荷的影響，節(jié)點電壓取1.0，發(fā)電機空載。短路電流計算的標(biāo)準(zhǔn)主要有IEC標(biāo)準(zhǔn)和ANSI標(biāo)準(zhǔn)，我國采用的是IEC標(biāo)準(zhǔn)。
　　國標(biāo)規(guī)定了短路電流的計算方法、計算條件。國標(biāo)推薦的三相短路電流計算方法是等值電壓源法，其計算條件為：(1)不考慮非旋轉(zhuǎn)負(fù)載的運行數(shù)據(jù)和發(fā)電機勵磁方式；(2)忽略線路電容和非旋轉(zhuǎn)負(fù)載的并聯(lián)導(dǎo)納：(3)具有分接開關(guān)的變壓器，其開關(guān)位置均視為在主分接位置；(4)不計弧電阻：(5)35kV及以上系統(tǒng)的最大短路電流計算時，等值電壓源取標(biāo)稱電壓的1.1，但不超過設(shè)備的最高運行電壓。
　　采用IEC標(biāo)準(zhǔn)進行短路電流計算時，允許用戶任意設(shè)定短路電流計算的初值條件。可設(shè)定的選項包括：(1)變比選擇：1.0或正常變比；(2)考慮充電電容與否；(3)計及并聯(lián)補償與否；(4)節(jié)點電壓值；(5)發(fā)電機功率因素。變壓器變比增大時，從本母線看出去的變壓器變比增加了，變壓器支路的等值阻抗將增加，短路電流將減小：反之，變壓器支路的等值阻抗將減小，短路電流將增加。變比的大幅變化對短路電流的影響相對較小；除基于潮流的短路電流計算外，短路電流計算一般均不考慮線路充電電容、線路高抗、低壓并聯(lián)電容器、電抗器等設(shè)備的影響。考慮并聯(lián)補償時，短路電流的變化相對較小，而且，考慮并聯(lián)補償后，短路電流的變化有升有降，其中，若是容性補償占主導(dǎo)影響，短路電流增加，反之，則下降；考慮充電電容時，短路電流的變化幅度較大；若同時考慮充電電容和并聯(lián)補償，其影響是兩者的疊加；在短路電流計算中，除基于潮流的短路電流計算外，發(fā)電機一般設(shè)為空載，所以，發(fā)電機的空載電勢與其端電壓相同。若發(fā)電機處于負(fù)載狀態(tài)，其空載電勢將太子發(fā)電機端電壓，且在有功功率相同的情況下，功率因素越低，負(fù)載率越高，電流越大，空載電勢越大，故障前短路點的母線電壓也越高，所以，短路電流越大：另外節(jié)點電壓的變化時，基于等值電壓源法的短路電流計算結(jié)果與電壓值保持線性關(guān)系。
　　此外，基于潮流的短路電流計算、經(jīng)典短路電流計算方法以及用IEC推薦的方法(變比不變，節(jié)點電壓取1.05pu)計算結(jié)果也有所不同。經(jīng)典計算方法所得的短路電流計算結(jié)果偏小，有可能給系統(tǒng)埋下不安全的隱患；IEC方法與基于潮流的短路電流結(jié)果相差較小，但不同區(qū)域的偏差各不相同，也并不一定能反映系統(tǒng)的最大短路電流水平。若換一個思路，改計算節(jié)點的最大短路電流為計算其最小等值阻抗，則系統(tǒng)的最小等值阻抗是易于求取的，且能符合系統(tǒng)實際的。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)各節(jié)點的晟大可能運行電壓，去求得該節(jié)點的最大短路電流水平，應(yīng)該是最能反映系統(tǒng)可能的最大短路電流水平的可行方法，據(jù)此合理的選擇保護系統(tǒng)，確保電路安全正常運行。

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