ETAP軟件在短路實驗教學(xué)中的應(yīng)用

徐華娟++王世山++王莉++楊善水

摘要：針對電力工程基礎(chǔ)課程在傳統(tǒng)教學(xué)過程中強調(diào)計算而忽視電力系統(tǒng)分析、設(shè)計的情況，提出引入ETAP軟件進(jìn)行實踐教學(xué)的新方法。以三相短路為例進(jìn)行了理論分析，并以某輻射型電網(wǎng)為模型，應(yīng)用ETAP進(jìn)行了多種短路仿真實驗，對實驗方法做了詳細(xì)說明，對實驗結(jié)果進(jìn)行了分析。課程設(shè)置的仿真實驗包括三相短路計算、斷路器的選擇、不對稱短路故障分析、相關(guān)參數(shù)對短路電流的影響等。通過這些實驗，可以加深學(xué)生對電力系統(tǒng)短路知識的理解，從而更好的提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；仿真實驗；ETAP；短路

【中圖分類號】TM7-4；G642

電力系統(tǒng)相關(guān)課程包括電力工程基礎(chǔ)、電力系統(tǒng)分析和電力系統(tǒng)自動化等。由于電力系統(tǒng)規(guī)模大、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行方式復(fù)雜，許多大型電力系統(tǒng)實驗很難進(jìn)行，特別是電力系統(tǒng)中對設(shè)備和人員危害較大的短路故障實驗，因此電力系統(tǒng)仿真教學(xué)成為電力系統(tǒng)教學(xué)中的一種重要方法。

在三相系統(tǒng)中，可能發(fā)生的短路包括三相短路、兩相短路、單相接地短路和兩相接地短路，其中三相短路對系統(tǒng)造成的危害最為嚴(yán)重，并且三相短路計算是其他不對稱短路計算的基礎(chǔ)，本文首先介紹了三相短路電流的計算方法，并以此為理論基礎(chǔ)開展相關(guān)實驗。

1 電力系統(tǒng)仿真軟件簡介

電力系統(tǒng)仿真軟件包括Matlab、Power World Simulator、PSCAD/EMTDC、BPA、PSASP等，它們的結(jié)構(gòu)和功能特點不同，各自的應(yīng)用領(lǐng)域也有所側(cè)重，如PSCAD/EMTDC主要進(jìn)行電磁暫態(tài)和控制環(huán)節(jié)的仿真，BPA、PSASP主要進(jìn)行潮流和機(jī)電暫態(tài)數(shù)字仿真，Matlab、Power World Simulator適用于一般教學(xué)[1]。ETAP軟件是用于發(fā)電、配電和電力系統(tǒng)設(shè)計的專業(yè)商用軟件，由于價格較高，目前尚未廣泛應(yīng)用于教學(xué)科研。南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院通過與ETAP公司合作，獲得該軟件的教學(xué)使用權(quán)，借此機(jī)遇將ETAP軟件引入電力系統(tǒng)仿真教學(xué)中有重要意義，它不僅可以滿足基本教學(xué)要求，還可以激發(fā)學(xué)生的研究興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和提高其解決工程問題的能力。

2 三相短路電流的理論分析

對于網(wǎng)狀電網(wǎng)的三相短路，根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，短路點用一個等效電壓源 取代，其他所有設(shè)備都被表示成它們的內(nèi)阻抗Zk，三相短路電流初始值（次暫態(tài)電流）的計算使用以下公式：

式中，Un是短路點的系統(tǒng)標(biāo)稱電壓，電壓修正系數(shù)c根據(jù)系統(tǒng)電壓等級的不同取值不同，Zk是短路點的等效阻抗，并且有 。

短路電流峰值ip的計算使用如下公式：

其中峰值系數(shù)k與R/X比值相關(guān)。 為前面提到的短路電流初始值[2-3]。

3 基于ETAP的短路仿真實驗

3.1電力系統(tǒng)模型

電力系統(tǒng)模型選用如圖1所示的輻射型系統(tǒng)，等效電網(wǎng)U1額定電壓為110kV，短路額定容量2500MVA；同步發(fā)電機(jī)Gen1控制方式為無功控制，額定有功功率=25MW，額定電壓=10.5kV，功率因素=80%；電動機(jī)Mtr1額定功率=2000kW，額定電壓10kV；變壓器T1、T2的變比=110/10.5，其他參數(shù)設(shè)為其典型值；電纜Cable1型號為BS6622XLPE、長度=200m，截面積=50mm2。Lump1、Lump2和Lump3的額定容量分別為18MVA、4MVA、26MVA，負(fù)荷類型為恒容量100%，其他參數(shù)見圖1中注釋。

3.2短路仿真實驗及分析

本課程設(shè)置的仿真實驗主要包括三相短路計算、斷路器的選擇、不對稱短路故障分析、相關(guān)參數(shù)對短路電流的影響。

3.2.1三相短路計算

該實驗可以使學(xué)生掌握三相短路計算中發(fā)電機(jī)的參數(shù)設(shè)置，并驗證三相短路相關(guān)理論。運行短路計算，需要設(shè)置發(fā)電機(jī)Gen1的直軸次暫態(tài)電抗Xd”、直軸電抗Xd以及X/R比率，本實驗中通過點擊“典型數(shù)據(jù)”賦值于這幾個參數(shù)。設(shè)定故障位置為Bus4，運行三相短路計算，仿真結(jié)果顯示Bus4的電壓為0，故障電流峰值為107.6kA，初始對稱有效值為41kA。而系統(tǒng)無故障運行時Bus4的電壓為10.69kV，電流為1.6kA，實驗結(jié)果表明發(fā)生三相短路時，短路點電壓降為零，短路電流急劇增加。并且注意到等效電網(wǎng)額定電壓為110kV，變壓器T2變比為110/10.5，一般情況下由于變壓器自身阻抗的損耗，變壓器低壓側(cè)電壓應(yīng)小于10.5，而系統(tǒng)無故障運行時Bus4的電壓值10.69大于10.5，分析原因可知由于Bus4連接了發(fā)電機(jī)，且發(fā)電機(jī)的控制方式為無功控制，發(fā)電機(jī)發(fā)電的總功率大于負(fù)載Lump3消耗的總功率，導(dǎo)致多余的功率通過變壓器T2返回到等效電網(wǎng)，因此Bus4的電壓值大于10.5。反之，如果要將Bus4的電壓調(diào)為10.5，最簡單的方法是將發(fā)電機(jī)的控制方式改為電壓控制，也可以通過調(diào)整發(fā)電機(jī)或負(fù)載的功率來實現(xiàn)。

3.2.2斷路器的選擇

短路電流的計算是電力系統(tǒng)設(shè)計和運行的基礎(chǔ)，可用于選擇電氣設(shè)備和載流導(dǎo)體，選擇和整定繼電保護(hù)裝置，確定合理的主接線方案、運行方式及限流措施等。該實驗通過斷路器的選擇，使學(xué)生對三相短路電流計算的用途有所了解。斷路器首先應(yīng)根據(jù)額定電壓和額定電流來選擇，斷路器的額定電壓不應(yīng)小于所在回路的最高運行電壓，額定電流不應(yīng)小于該回路在各種可能運行方式下的持續(xù)工作電流；此外要保證短路情況下斷路器的穩(wěn)定性，即斷路器的額定動穩(wěn)定電流和額定開斷電流應(yīng)大于相應(yīng)的三相短路計算值。

例如在本實驗中打開斷路器CB5編輯器，選擇庫中型號為Siemens 12-3AF-31.5的斷路器，其額定電壓為12kV，額定電流為2.5kA，設(shè)定故障位置為Bus4，運行三相短路計算后出現(xiàn)斷路器報警窗口。報警窗口顯示斷路器CB5的動穩(wěn)定峰值電流和開斷電流分別超負(fù)荷運行134.5%和132.7%。重新選擇型號為Siemens 12-3AF-63的斷路器，其額定動穩(wěn)定電流為160kA，開斷電流為63kA，再次執(zhí)行三相短路分析，運行后報警消失。

3.2.3不對稱短路故障分析

設(shè)置Bus4為故障母線，運行不對稱短路計算，Bus4不對稱短路電流計算結(jié)果如圖2所示。結(jié)果顯示三相短路沖擊電流峰值及其有效值均大于相應(yīng)的不對稱短路電流，由此可見三相短路對系統(tǒng)造成的危害更為嚴(yán)重。觀察報告中短路點的電壓、電流，驗證不對稱短路的邊界條件，下面以單相接地短路為例進(jìn)行分析。實驗結(jié)果顯示單相接地短路后A相對地電壓為0，說明A相接地；B、C兩非故障相電壓幅值變?yōu)樵妷旱?73%倍，驗證了如下結(jié)論，即中性點不接地的電力系統(tǒng)單相接地短路后，非故障相對地電壓升高為原來的 倍，即變成線電壓；單相接地短路后三相電壓不再平衡，說明單相接地短路為不對稱短路。

3.2.4相關(guān)參數(shù)對短路電流的影響

將電纜Cable1的長度分別設(shè)為100m、200m、400m，設(shè)其末端母線Bus3為短路點，運行三相短路計算，短路沖擊電流有效值分別顯示為29kA、25.4kA、20.6kA，實驗表明短路點距離電網(wǎng)電源越遠(yuǎn)，三相短路電流越小。因為距離電網(wǎng)電源越遠(yuǎn)，短路點處的等效電抗越大，等效電源電壓恒定的情況下，短路電流就越小。

在短路計算中把電動機(jī)負(fù)荷（或叫旋轉(zhuǎn)負(fù)荷）和照明加熱負(fù)荷（或叫靜止負(fù)荷）分開考慮，它們分別對應(yīng)ETAP等效負(fù)荷里的100%恒容量模型和100%恒阻抗模型。通過以下實驗可以探索不同的負(fù)荷模型對短路電流的影響。將Lump2的負(fù)荷類型分別設(shè)為100%恒容量、50%恒容量（50%恒阻抗）和100%恒阻抗，運行三相短路電流計算。運行結(jié)果如圖3所示，Lump2在三種不同模式下對短路母線的貢獻(xiàn)電流分別為1.65kA、0.826kA、0kA，電動機(jī)Mtr1的貢獻(xiàn)電流均為0.946kA。實驗結(jié)果顯示電動機(jī)負(fù)荷有短路電流反饋，而照明加熱負(fù)荷（100%恒阻抗）沒有，并且隨著等效負(fù)荷恒容量百分?jǐn)?shù)的增大，反饋電流增加。

4 結(jié)語

在短路仿真實驗中，ETAP顯示出其直觀方便準(zhǔn)確的特點，學(xué)生可以投入更多的精力用于電力系統(tǒng)的設(shè)計和分析。論文給出了短路故障的具體仿真實驗方法，以期在電力系統(tǒng)相關(guān)課程中實現(xiàn)理論教學(xué)和實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的相互協(xié)調(diào)，互相補充，從而更好的提高教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

參考文獻(xiàn)：

[1]李廣凱，李庚銀.電力系統(tǒng)仿真軟件綜述[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2005，27（3）：61-65.

[2]張慧華，黃輝，戈睛天.ETAP的三相短路電流計算與傳統(tǒng)實用計算比較分析[J].硅谷，2011：188-189.