淺析變壓器三側短路電流計算的一種方法

陳 虹 余晨翔

(中國電建集團福建工程有限公司，福建 福州 350018)

1 概述

短路電流，根據不同用途可分為如下主要目的：電氣主接線比選；導體和設備的選擇；確定中性點接線方式、選擇繼電保護裝置及整定計算等。短路電流計算為系統設計、新站設備選型、運行方式制定、繼電保護整定提供依據，電力系統短路電流的計算具有重大意義[1]。智利198號法令第26標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，主要內容包含2座500kV變電站的擴建與44km雙回三分裂500kV導線的更換等。本文的目的是計算洛阿吉雷變電站中新增的750MVA變壓器的三側短路電流(見圖1)，用于選定設備容量或額定值。

圖1 洛阿吉雷變電站750MVA變壓器短路電流計算接線圖

2 研究假設和簡化

為開展研究，考慮了以下假設和簡化：所有電源的電動勢相位角相同；在短路期間，網絡沒有拓撲變化；變壓器的阻抗與分接開關的不同位置有關； 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，采用標幺值計算。基準容量選取SB=100MVA，基準電壓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，高壓側母線的電壓基準值UBH=525kV，中壓側母線的電壓基準值UBM=230kV，低壓側母線的電壓基準值UBL=66kV。

基準容量SB與基準電壓UB選定后，基準電流IB與基準電抗XB也隨之確定，即：

(2)

(3)

3.2 各元件參數標幺值的計算

電路元件的標幺值為有名值與基準值之比，計算公式如下：

(4)

(5)

(6)

(7)

從某一基值容量S1B的標幺值化到另一基值容量S2B的標幺值：

(8)

從某一基值容量U1B的標幺值化到另一基值容量U2B的標幺值：

(9)

3.3 網絡變換

根據系統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(均為百分數)取Uk12=14,Uk13=39,Uk23=22,故變壓器電抗標幺值計算如下：

(10)

(11)

(12)

變壓器等值電抗標幺值計算如下：

高壓側等值電抗：

(13)

中壓側等值電抗：

(14)

低壓側等值電抗：

(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中涉及的網絡變換公式為：

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點發生單相接地短路時的阻抗等效圖。

圖8 k1發生單相接地短路零序阻抗等效圖

圖9 k2發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 高壓側母線短路情況

高壓側母線三相短路時的短路電流計算：

(23)

高壓側母線兩相短路時的短路電流計算：

(24)

高壓側母線兩相接地短路時的短路電流計算：

(25)

高壓側母線單相接地短路時的短路電流計算：

(26)

3.6.2 中壓側母線短路情況

中壓側母線三相短路時的短路電流計算：

(27)

中壓側母線兩相短路時的短路電流計算：

(28)

中壓側母線兩相接地短路時的短路電流計算：

(29)

中壓側母線單相接地短路時的短路電流計算：

(30)

3.6.3 低壓側母線短路情況

低壓側母線三相短路時的短路電流計算：

(31)

低壓側母線兩相短路時的短路電流計算：

(32)

4 變壓器數據

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

表1 洛阿吉雷變電站750MVA變壓器參數

5 結果

將上述設備參數數據分別錄入DIgSILENT軟件進行運算，得出洛阿吉雷變電站的短路水平，數據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 結論

本文在洛阿吉雷變電站中對變壓器進行了短路電流研究，并考慮電力系統的遠景發展計劃，一般為本期工程建成后5～10年，確定短路電流時，應按可能發生最大短路電流的正常接線方式進行計算，根據表2、表3、表4、表5數據可知，預計2033年的最大短路電流對應于表6的結果。

表2 三相短路結果

表3 兩相短路結果

表4 兩相對地短路結果

表5 單相對地短路結果

表6 最大短路電流結果

7 國際標準IEC關于短路電流的計算方法

表7 電壓系數

使用該計算方法，可不考慮非旋轉負載的運行數據、變壓器分接頭位置和發電機勵磁方式，并且無須對短路前可能的潮流分布進行計算。我國參照國際標準IEC 60909并發布了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；采用串聯電抗器或其他限流設備；變壓器的低壓側選用分裂繞組。在中性點接地的電力網絡中，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量等方法。

9 結束語

絕緣損壞和故障會導致電力系統短路，主配電板母線或主線短路時，會出現比正常電流高出數倍的短路電流，短路產生的機械應力和熱效應會對其他電氣設備及電網造成損壞。 電壓大幅降低，影響電氣設備的使用，從而危及電氣安全和人身安全。為保證系統在短路情況下的穩定性、可靠性和持續性，實現對電力系統的選擇性保護，必須計算系統故障后的短路電流。

準確計算電網各點短路電流值的大小，有助于確定系統保護策略和方法，合理選擇配電方式和保護裝置，確保電氣系統發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，防止故障點引起火災，盡量減少短路故障造成的損壞。

由于系統運行模式的影響，短路電流也會相應變化。通過計算最大短路電流來確定系統的耐受能力，尤其是確定斷路器的分斷能力。此外，短路電流計算還有助于驗證電力系統電壓等級選擇的正確性及配電系統選擇的合理性。綜上所述，為保證電力系統的安全穩定運行，短路電流計算必不可少[5]。

我國傳統的短路電流計算方法是建立等效電路后，利用標幺值進行短路試驗計算，采用標幺值的優點是能夠簡化計算公式，缺點是沒有量綱，物理概念不清晰。我國參照國際標準IEC 60909并發布了GB-T 15544.1，足以證明我國對國際標準的認可，面對國家政策與國際趨勢，海外市場的開拓愈發重要，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。