淺談電力系統運行中的短路故障與短路電流計算

論文摘要　短路故障是破壞電力系統正常運行的常見原因，簡要探討短路故障的成因及短路電流計算的問題。
　　　　　　
　　在電力系統的設計和運行中，不僅要考慮正常工作狀態，而且還必須考慮到發生故障時所造成的不正常工作狀態。實際運行表明，破壞供電系統正常運行的故障，多數為各種短路故障。所謂短路，是指供電系統中不等電位的導體在電氣上被短接，如相與相之間的短接，或在中性點接地系統中一相或幾相與大地相接以及三相四線制系統中相與零線的短接等。當發生短路時，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。
　　三相短路電流計算是電力系統規劃、設計、運行中必須進行的計算分析工作。目前，三相短路電流超標問題已成為困擾國內許多電網運行的關鍵問題。然而，在進行三相短路電流計算時，各設計、運行和研究部門采用的計算方法各不相同，這就有可能造成短路電流計算結論的差異和短路電流超標判斷的差異，以及短路電流限制措施的不同。如果短路電流計算結果偏于保守，有可能造成不必要的投資浪費：若偏于樂觀，則將給系統的安全穩定運行埋下災難性的隱患。因而，在深入研究短路電流計算標準的基礎上，比較了不同短路電流計算條件對短路電流計算結論的影響，以期能為電網短路電流的計算和限制提供更切合實際的方法和思路。
　　
　　一、短路產生的原因及危害
　　
　　產生短路的主要原因，是供電系統中的絕緣被破壞。在絕大多數情況下，絕緣的破壞是由于未及時發現和消除設備中的缺陷，以及設計、安裝和維護不當所造成的。例如過電壓、直接雷擊、絕緣材料的老化、絕緣配合不當和機械損壞等；運行人員錯誤操作，如帶負荷斷開隔離開關或檢修后未撤接地線就合斷路器等；設備長期過負荷，使絕緣加速老化或破壞；小電流系統中一相接地，未能及時消除故障；在含有損壞絕緣的氣體或固體物質地區。未考慮電氣間隙與爬電距離(應符合GB)等。此外，在電力系統中的某些事故也可能直接導致短路，如電桿倒塌、導線斷線等：或動物、飛禽跨越導體時也會造成短路。
　　短路電流越大，持續時間越長，對故障設備的破壞程度越大。短路電流所產生的電動力能形成很大的破壞力，如果導體和它們的支架不夠堅固，可能遭到難以修復的破壞：這樣大的短路電流即使通過的時間很短，也會使設備和導體引起不能允許的發熱，從而損壞絕緣，甚至使金屬部分退火、變形或燒壞。短路時由于很大的短路電流流經過網路阻抗，必將使網路產生很大的電壓損失。如為金屬性短路，短路點電壓為零，短路點以上各處的電壓也要相應降低很多，一旦電壓低于額定電壓40％以上時，就會使供電受到嚴重影響或被迫中斷；若在發電廠附近發生短路，還可能使全電力系統運行解列，引起嚴重后果。接地短路時，接地相出現的短路電流為不平衡電流，該電流所產生的磁通將對鄰近平行的通訊線路感應出附加電勢，干擾通訊，嚴重時，將危及通訊設備和人身的安全。
　　為了限制發生短路時所造成的危害和故障范圍的擴大，需要在供電系統中加裝保護，以便在故障發生時，自動而快速地切斷故障部分，以保障系統安全正常運行。這就需要我們準確的計算短路電流的大小。

二、短路電流的計算及影響計算結果的因素
　　
　　經典的短路電流計算方法為：取變比為1.0，不考慮線路充電電容和并聯補償，不考慮負荷電流和負荷的影響，節點電壓取1.0，發電機空載。短路電流計算的標準主要有IEC標準和ANSI標準，我國采用的是IEC標準。
　　國標規定了短路電流的計算方法、計算條件。國標推薦的三相短路電流計算方法是等值電壓源法，其計算條件為：(1)不考慮非旋轉負載的運行數據和發電機勵磁方式；(2)忽略線路電容和非旋轉負載的并聯導納：(3)具有分接開關的變壓器，其開關位置均視為在主分接位置；(4)不計弧電阻：(5)35kV及以上系統的最大短路電流計算時，等值電壓源取標稱電壓的1.1，但不超過設備的最高運行電壓。
　　采用IEC標準進行短路電流計算時，允許用戶任意設定短路電流計算的初值條件。可設定的選項包括：(1)變比選擇：1.0或正常變比；(2)考慮充電電容與否；(3)計及并聯補償與否；(4)節點電壓值；(5)發電機功率因素。變壓器變比增大時，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。變比的大幅變化對短路電流的影響相對較小；除基于潮流的短路電流計算外，短路電流計算一般均不考慮線路充電電容、線路高抗、低壓并聯電容器、電抗器等設備的影響。考慮并聯補償時，短路電流的變化相對較小，而且，考慮并聯補償后，短路電流的變化有升有降，其中，若是容性補償占主導影響，短路電流增加，反之，則下降；考慮充電電容時，短路電流的變化幅度較大；若同時考慮充電電容和并聯補償，其影響是兩者的疊加；在短路電流計算中，除基于潮流的短路電流計算外，發電機一般設為空載，所以，發電機的空載電勢與其端電壓相同。若發電機處于負載狀態，其空載電勢將太子發電機端電壓，且在有功功率相同的情況下，功率因素越低，負載率越高，電流越大，空載電勢越大，故障前短路點的母線電壓也越高，所以，短路電流越大：另外節點電壓的變化時，基于等值電壓源法的短路電流計算結果與電壓值保持線性關系。
　　此外，基于潮流的短路電流計算、經典短路電流計算方法以及用IEC推薦的方法(變比不變，節點電壓取1.05pu)計算結果也有所不同。經典計算方法所得的短路電流計算結果偏小，有可能給系統埋下不安全的隱患；IEC方法與基于潮流的短路電流結果相差較小，但不同區域的偏差各不相同，也并不一定能反映系統的最大短路電流水平。若換一個思路，改計算節點的最大短路電流為計算其最小等值阻抗，則系統的最小等值阻抗是易于求取的，且能符合系統實際的。在此基礎上，根據各節點的晟大可能運行電壓，去求得該節點的最大短路電流水平，應該是最能反映系統可能的最大短路電流水平的可行方法，據此合理的選擇保護系統，確保電路安全正常運行。

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