變電站設計中短路電流的計算與分析

吳浩

（江蘇省電力公司 蘇州供電公司，江蘇 蘇州 215000）

電力系統在運行中相與相之間或者相與地之間（或中性線）之間發生非正常連接（短路）時流過的電流稱為短路電流。

短路電流計算是電力系統3大計算之一，是進行電氣接線方式選擇、電氣設備選擇、繼電保護整定和校核的基礎。此變電站設計需要設計的內容是：變電站圍墻內的110 kV及10 kV配電裝置，主變壓器，10 kV電容器，自補裝置，站內交直流電系統，控制保護，防雷接地等一、二次部分。文中設計的要求：主變壓器容量，由需用系數法計算；電壓等級，110/10 kV；110 kV進線，2回電纜進線；10 kV進線，按要求得20回電纜出線（其中兩回為備用）。文中主要分析了變電站設計過程具體的短路電流計算方法。

1 概 述

電力系統中可能發生的短路故障，主要有三相短路、兩相短路和單相短路。一般情況下，三相短路電流都大于兩相和單相短路電流。在中性點直接接地的電網中，以一相對地的短路故障為最多，約占全部短路故障的90%，在中性點非直接接地的電力網絡中，短路故障主要是各種相間短路。發生短路時，由于電源供電回路阻抗的減小以及突然短路時的暫態過程，使短路回路中的電流大大增加，可能超過回路的額定電流許多倍。電力系統中出現短路故障時，系統功率分布的突然變化和電壓的嚴重下降，可能破壞各發電廠并聯運行的穩定性，短路時電壓下降的愈大，持續時間愈長，破壞整個電力系統穩定運行的可能性愈大。

在計算短路電流時，由于本次變電站設計屬于未知系統，所以我們把這個電源容量視為無窮大的電力系統。在這樣的系統內，當某處發生短路時，電源電壓維持不變，即短路電流周期分量在整個短路過程中不衰減[3-4]。

2 短路電流計算的原則

1）計算短路電流用于驗算電器和導體的開斷電流、動穩定和熱穩定時，應按本工程的計劃內容計算。一般應以最大運行方式下的三相短路電流為依據，如變電所一般以2臺或3臺主變壓器容量計算，并適當考慮電網5～10年的遠景發展規劃。

2）計算短路電流時，應按可能發生最大短路電流的正常接線方式進行計算。短路點應選擇在短路電流為最大的點。

3）導體和電器的動穩定、熱穩定以及電器的開斷電流，一般按三相短路電流驗算。

4）計算10 kV及以上高壓電網短路電流時，一般將原件的電阻忽略不計，如果短路電路中總電阻ΣR大于總電抗ΣX的1/3時，則線路和其他元件的有效電阻仍應計入。

5）計算1 000 kV以下低壓電網短路電流時，一般不允許忽略短路回路中電氣設備的電阻值，如配電變壓器的電阻、低壓線路的電阻、不太長的母線和電纜、電流互感器的一次繞組、自動開關的過電流線圈及自動開關和隔離開關觸頭的接觸電阻等，因為這些電阻對低壓短路電流都有影響。

6）計算某一電壓級的短路電流時，應用平均電壓。

7）計算高壓系統電路電流時，一般采用標幺值法、短路功率法進行計算。計算1 000 V以下低壓配電網的短路電流時，一般采用有名值方法計算，即電壓V，電流kA，電阻mΩ。

3 三相短路電流計算

圖1 等值電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram

設：當 Sj=100MVA，Uj=Uav=115/10.5 kV 時：

3.1 變壓器高電壓側K1點短路

則K1點短路時，短路回路最小總阻抗和最大總阻抗

最大短路電流次暫態值：

最大短路電流沖擊值：

最大次暫態短路功率：

最小短路電流次暫態值：

最小短路電流沖擊值：

最小次暫態短路功率：

3.2 變壓器的低壓側K 2點短路

K2點三相短路時：

則K2點短路時，短路回路最大總阻抗：

最小短路電流次暫態值：

最小短路電流沖擊值：

最小次暫態短路功率：

則K2點短路時，短路回路最小總阻抗：

最大短路電流次暫態值：

最大短路電流沖擊值：

最大次暫態短路功率：

綜上所述：

由上計算可得，三相短路情況發生時，變壓器高壓側最大短路電流為14.673 kA，最小短路電流為9.0827 kA；變壓器低壓側最大短路電流為27.399 kA，最小短路電流為14.159 kA[6]。

4 結 論

隨著國民經濟和地區經濟的快速發展，對電力的需求增長迅速。變電站升級改造和變電站擴容改造已成為供電公司的重要規劃內容，由于變電站改造都將改變網絡結構，網絡結構的改變必將影響各個節點的短路電流。準確地進行短路電流計算就能根據變電站電力系統的實際情況合理地確定限制短路電流的方案，或者限制某種運行方式的出現，得到既可靠又經濟的主接線方案。

總之，在評價和比較各種主接線方案選出最佳方案時，短路電流計算是一項很重要的基礎性工作。因此，在電力設計中選擇電氣設備必須計算短路電流，短路電流的計算是電氣專業設計不可缺少的環節，是電力設計中最重要的計算之一。文中通過短路電流的計算，為變電站設計中電氣設備的選擇和繼電保護整定墊定了基礎。

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