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淺談電力系統(tǒng)運(yùn)行中的短路故障與短路電流計(jì)算

  
評(píng)論: 更新日期:2009年12月31日

  論文關(guān)鍵詞:短路 故障 短路電流

  論文摘要:短路故障是破壞電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的常見(jiàn)原因,簡(jiǎn)要探討短路故障的成因及短路電流計(jì)算的問(wèn)題。

  在電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)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(shí)所造成的不正常工作狀態(tài)。實(shí)際運(yùn)行表明,破壞供電系統(tǒng)正常運(yùn)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(diǎn)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(shí),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(jì)算是電力系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行中必須進(jìn)行的計(jì)算分析工作。目前,三相短路電流超標(biāo)問(wèn)題已成為困擾國(guó)內(nèi)許多電網(wǎng)運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題。然而,在進(jìn)行三相短路電流計(jì)算時(shí),各設(shè)計(jì)、運(yùn)行和研究部門(mén)采用的計(jì)算方法各不相同,這就有可能造成短路電流計(jì)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(jì)算結(jié)果偏于保守,有可能造成不必要的投資浪費(fèi):若偏于樂(lè)觀,則將給系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行埋下災(zāi)難性的隱患。因而,在深入研究短路電流計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,比較了不同短路電流計(jì)算條件對(duì)短路電流計(jì)算結(jié)論的影響,以期能為電網(wǎng)短路電流的計(jì)算和限制提供更切合實(shí)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(shí)發(fā)現(xiàn)和消除設(shè)備中的缺陷,以及設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)不當(dāng)所造成的。例如過(guò)電壓、直接雷擊、絕緣材料的老化、絕緣配合不當(dāng)和機(jī)械損壞等;運(yùn)行人員錯(cuò)誤操作,如帶負(fù)荷斷開(kāi)隔離開(kāi)關(guān)或檢修后未撤接地線就合斷路器等;設(shè)備長(zhǎng)期過(guò)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(shí)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(dòng)物、飛禽跨越導(dǎo)體時(shí)也會(huì)造成短路。

  短路電流越大,持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng),對(duì)故障設(shè)備的破壞程度越大。短路電流所產(chǎn)生的電動(dòng)力能形成很大的破壞力,如果導(dǎo)體和它們的支架不夠堅(jiān)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(guò)的時(shí)間很短,也會(huì)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(shí)由于很大的短路電流流經(jīng)過(guò)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(diǎn)電壓為零,短路點(diǎn)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(shí),就會(huì)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(yùn)行解列,引起嚴(yán)重后果。接地短路時(shí),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(duì)鄰近平行的通訊線路感應(yīng)出附加電勢(shì),干擾通訊,嚴(yán)重時(shí),將危及通訊設(shè)備和人身的安全。

  為了限制發(fā)生短路時(shí)所造成的危害和故障范圍的擴(kuò)大,需要在供電系統(tǒng)中加裝保護(hù),以便在故障發(fā)生時(shí),自動(dòng)而快速地切斷故障部分,以保障系統(tǒng)安全正常運(yùn)行。這就需要我們準(zhǔn)確的計(jì)算短路電流的大小。

  二、短路電流的計(jì)算及影響計(jì)算結(jié)果的因素

  經(jīng)典的短路電流計(jì)算方法為:取變比為1.0,不考慮線路充電電容和并聯(lián)補(bǔ)償,不考慮負(fù)荷電流和負(fù)荷的影響,節(jié)點(diǎn)電壓取1.0,發(fā)電機(jī)空載。短路電流計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)主要有IEC標(biāo)準(zhǔn)和ANSI標(biāo)準(zhǔn),我國(guó)采用的是IEC標(biāo)準(zhǔn)。

  國(guó)標(biāo)規(guī)定了短路電流的計(jì)算方法、計(jì)算條件。國(guó)標(biāo)推薦的三相短路電流計(jì)算方法是等值電壓源法,其計(jì)算條件為:(1)不考慮非旋轉(zhuǎn)負(fù)載的運(yùn)行數(shù)據(jù)和發(fā)電機(jī)勵(lì)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(kāi)關(guān)的變壓器,其開(kāi)關(guān)位置均視為在主分接位置;(4)不計(jì)弧電阻:(5)35kV及以上系統(tǒng)的最大短路電流計(jì)算時(shí),等值電壓源取標(biāo)稱電壓的1.1,但不超過(guò)設(shè)備的最高運(yùn)行電壓。

  采用IEC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行短路電流計(jì)算時(shí),允許用戶任意設(shè)定短路電流計(jì)算的初值條件??稍O(shè)定的選項(xiàng)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(jì)及并聯(lián)補(bǔ)償與否;(4)節(jié)點(diǎn)電壓值;(5)發(fā)電機(jī)功率因素。變壓器變比增大時(shí),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(duì)短路電流的影響相對(duì)較??;除基于潮流的短路電流計(jì)算外,短路電流計(jì)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??紤]并聯(lián)補(bǔ)償時(shí),短路電流的變化相對(duì)較小,而且,考慮并聯(lián)補(bǔ)償后,短路電流的變化有升有降,其中,若是容性補(bǔ)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(shí),短路電流的變化幅度較大;若同時(shí)考慮充電電容和并聯(lián)補(bǔ)償,其影響是兩者的疊加;在短路電流計(jì)算中,除基于潮流的短路電流計(jì)算外,發(fā)電機(jī)一般設(shè)為空載,所以,發(fā)電機(jī)的空載電勢(shì)與其端電壓相同。若發(fā)電機(jī)處于負(fù)載狀態(tài),其空載電勢(shì)將太子發(fā)電機(jī)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(shì)越大,故障前短路點(diǎn)的母線電壓也越高,所以,短路電流越大:另外節(jié)點(diǎn)電壓的變化時(shí),基于等值電壓源法的短路電流計(jì)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(jì)算、經(jīng)典短路電流計(jì)算方法以及用IEC推薦的方法(變比不變,節(jié)點(diǎn)電壓取1.05pu)計(jì)算結(jié)果也有所不同。經(jīng)典計(jì)算方法所得的短路電流計(jì)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(gè)思路,改計(jì)算節(jié)點(diǎn)的最大短路電流為計(jì)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(shí)際的。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的晟大可能運(yùn)行電壓,去求得該節(jié)點(diǎn)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(hù)系統(tǒng),確保電路安全正常運(yùn)行。

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