變電站入地短路電流的計算

李梓豐

摘 ? ?要：我國的經(jīng)濟(jì)正在如火如荼的快速發(fā)展之中，變電站入地短路電流的問題關(guān)系著變電站的安全，引起了相關(guān)設(shè)計人員的重視，變電站的入地短路電流作為接地電流的設(shè)計基礎(chǔ)，其接地網(wǎng)的電壓、接地的引線等都與短路電流息息相關(guān)。變電站導(dǎo)入電流的計算問題關(guān)系著變電站的電氣設(shè)計，如果計算出現(xiàn)失誤，引發(fā)短路故障，則會使電流超出負(fù)荷，引起溫度上升，絕緣層發(fā)生破壞引起電動力較強(qiáng)，從而破壞設(shè)備，造成財產(chǎn)經(jīng)濟(jì)損失。因此，本文將結(jié)合實(shí)例，對變電站的入地短路電流的計算做出探討。

關(guān)鍵詞：變電站;短路電流;入地短路電流

1 ?前言

變電站接地網(wǎng)設(shè)計的目的是保障人們的生命財產(chǎn)以及設(shè)備安全，在進(jìn)行變電站的地網(wǎng)設(shè)計方案優(yōu)化中，變短站入地短路電流的計算時接地網(wǎng)的設(shè)計基礎(chǔ)，其中主變中性點(diǎn)電流、避雷線分流系數(shù)在規(guī)劃時也存在明確的計算方法，在工程設(shè)計中常常用估算的方法，導(dǎo)致接地設(shè)計的計算誤差較大，引發(fā)安全隱患，對此，在接地計算時應(yīng)該考慮均壓問題，確定接地計算的詳細(xì)布置方案，并展開對接地網(wǎng)材料的選擇，找出最適合工程的最優(yōu)接地設(shè)計方案。所以，作為變電站設(shè)計的基本內(nèi)容，值得引起相關(guān)設(shè)計人員的重視。短路電流一般是指電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行時出現(xiàn)了異常，如相和相、地與地的異常連接，設(shè)計人員對短路電流的計算就顯得尤為重要，其能幫助確定電路的連接方式以及保護(hù)整個繼電系統(tǒng)。隨著我國電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)的容量也在不斷上升，所以經(jīng)常會發(fā)生短路電流的故障。為了保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，保護(hù)電氣設(shè)備的相關(guān)工作人員免受傷害，必須在接地網(wǎng)設(shè)計時進(jìn)行入地短路電流的計算，其也是接地網(wǎng)設(shè)計的前提。

2 ?入地短路電流的概念

入地短路電流就是由短路故障引起的電流向土壤中擴(kuò)散，導(dǎo)致電位升高的現(xiàn)象。值得注意的是短路電流只有一小部分電流入地，而不是全部的電流入地。這種現(xiàn)象的發(fā)生不僅導(dǎo)致了接地電位升高影響了電位差，而且對地面的引線和導(dǎo)體都造成破壞。所以，計算入地短路電流非常重要。如果計算出來的結(jié)果相對較小，就說明了地網(wǎng)電阻無法滿足需求，短路故障的發(fā)生就會導(dǎo)致造成安全隱患。如果計算結(jié)果偏大，就說明電網(wǎng)的設(shè)計造成了資源浪費(fèi)。據(jù)研究，我國曾經(jīng)發(fā)生過多起類似事故。所以對于變電站的電氣設(shè)計應(yīng)該考慮全面。在入地故障電流結(jié)果地網(wǎng)流散時，不僅會對接地電位、轉(zhuǎn)移電勢以及局部電位差的大小造成影響，還將影響接地引線與均壓導(dǎo)體截面的選擇。從安全、經(jīng)濟(jì)的角度來說要準(zhǔn)確計算入地短路故障電流，變電站和發(fā)電廠發(fā)生接地短路電流時，按照分流系數(shù)與故障的計算原則，按單相短路電流最大的等級電壓接出線來計算相應(yīng)的分流系數(shù)以及入地故障電流。

3 ?變電站入地短路電流的計算

3.1 ?短路電流的計算原則

在對變電站入地電流進(jìn)行計算時，不能盲目行事，需要遵守以下原則：（1）對短路電流進(jìn)行計算時，應(yīng)該先計算電氣的開斷電流，有計劃的對工程具體內(nèi)容進(jìn)行核算，通常還要計算電氣的熱、動穩(wěn)定以及主變壓器的容量，在計算過程中應(yīng)該考慮到變電站電網(wǎng)的長期發(fā)展進(jìn)行合理設(shè)計。（2）對短路電流最大點(diǎn)的正常接線形式的計算，在選擇短路電流的計算點(diǎn)時，應(yīng)該選擇電流的最大點(diǎn)，這樣有利于預(yù)測最有可能發(fā)生短路電流的接線形式。而對電壓等級進(jìn)行計算時，要選擇平均電壓。（3）一般來說三相短路電流是發(fā)電站最大運(yùn)行時的基本表現(xiàn)形式，所以要通過其對電氣的動、熱穩(wěn)定進(jìn)行計算。

3.2 ?入地短路電流的計算

由上文可知入地短路電流是指系統(tǒng)發(fā)生短路故障后由地網(wǎng)散流，導(dǎo)致地網(wǎng)電流不斷升高的現(xiàn)象。短路發(fā)生之后電流其中一部分入地，另一部分由地網(wǎng)連接著的避雷線導(dǎo)入地，以220KV的變電站為例，根據(jù)我國制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其短路電流計算公式為：

（1）I=（Imax-In）（1-Ke1） ?（2）I=In（1-Ke1）

在此公式中，取數(shù)值大的作為變電站入地短路電流，I指的就是入地短路電流;Imax代表了變電站最大的入地短路電流;In代表了短路時的變電站中性點(diǎn)的接地短路電流;Ke1為變電站內(nèi)短路發(fā)生時分往避雷設(shè)備的電流系數(shù)。Ke2即為站外短路分往避雷設(shè)備的電流系數(shù)。短路電流達(dá)到峰值的接地短路是不對稱的，所以在計算最大接地短路時要根據(jù)具體情況設(shè)計計算。值得注意的是，在進(jìn)行計算時一般取接地網(wǎng)內(nèi)的短路電流系數(shù)為0.5，接地網(wǎng)外的電流系數(shù)為0.1。由于不同的取值對計算結(jié)果的影響較大，所以在施工之前的圖紙上就要用專用軟件進(jìn)行精確計算。

4 ?地網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計

地網(wǎng)一般有水平和垂直地極組成，水平地級有兩種布置方法，（1）等間距的布置方法。這種方法會使電位的分布不均勻，無法滿足需求，容易造成安全隱患。（2）不等間距的布置方法。這種方法也有分配不均的現(xiàn)象，使得兩邊的散流比中間的要強(qiáng)，但是在節(jié)約資源和成本的角度來看，不等間距設(shè)計方案比較有優(yōu)勢。所以在地網(wǎng)的安裝上要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計。比如說220kV的變電在進(jìn)行地網(wǎng)設(shè)計時，要綜合考慮變電站的實(shí)際電網(wǎng)面積和土地的電阻率，假設(shè)地網(wǎng)面積為96[×]60m2，土壤的電阻率為35Ω?m左右時，水平接地極采用-80[×]6的扁鋼，當(dāng)?shù)乳g距布置無法滿足電壓要求時，從安全和材料節(jié)約的角度考慮要采用不等間距的方案有更多的優(yōu)勢。

5 ?接地材料的選擇

當(dāng)前變電站在接地設(shè)計中選擇的材料主要有三種類型，包括熱鍍鋅扁鋼、銅覆鋼和鋼材。熱鍍鋅鋼鋼材材料的熱穩(wěn)定系數(shù)最低為70，根據(jù)熱穩(wěn)定的計算公式，最小截面面積為283mm2，銅的熱穩(wěn)定系數(shù)最高為210，最小截面面積為94mm2，考慮到腐蝕現(xiàn)象，三種接地材料有有一定的裕度，按照全壽命周期理論，展開對三種材料的經(jīng)濟(jì)性分析，能夠發(fā)現(xiàn)銅覆鋼既有著銅材耐腐蝕性的優(yōu)勢，還能節(jié)約銅材材料，降低經(jīng)濟(jì)成本，主要技術(shù)指標(biāo)介于銅材與鍍鋅鋼材之間，且比鍍鋅鋼材有較大優(yōu)勢，最為接地材料，銅覆鋼在初期的投資中雖然相對于鍍鋅鋼材更高，但是從全壽命周期來說看，銅覆鋼的經(jīng)濟(jì)性更強(qiáng)，能夠有效保障接地材料性質(zhì)的同時，降低成本，提高經(jīng)濟(jì)價值。

6 ?小結(jié)

綜上所述，我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展勢頭迅猛，無論是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求上，還是人們的生活需要上，電力需要越來越大，變電站作為提供電力的主要設(shè)備，其在不斷升級和改造中滿足這經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。以此同時變電站的改造影響了電氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和入地短路電流。對于變電站入地電流的計算關(guān)系著電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，同時也關(guān)系著電網(wǎng)的運(yùn)行安全，對接地短路電流的計算不僅能夠確定變電站電氣系統(tǒng)的設(shè)計方法，還能作為保護(hù)和校驗電氣設(shè)備的重要依據(jù)，從而影響到對電氣設(shè)備的選擇和繼電器的校驗。通過對接地短路電流的計算能夠使得設(shè)計人員制定合理的接線方案，從而促進(jìn)我國電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

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