| 电流的短路计算一直是电力 系统中最基本的电气运算之一， 电力系统在运行过程中会因为各 种原因而产生系统短路故障，从 而造成电力系统运行事故。根据 短路计算的基本原理，建立了基 于多端口补偿法的短路电流计算 模型，结合湖北省荆州市江陵新 修220kV 输变电工程的工程实例， 计算出荆州大型变电站的短路电 流，从而对该输变电工程的建设 可行性进行分析，并为该工程的 建设以及选址提供参考。 【关键词】短路计算 电力系统 短路故障 补偿 法 输变电工程 电力工业是关系国计民生的基础产业[1]， 随着国民经济的快速发展，国家电网公司开始 大规模开发建设电网基础设施工程以满足我国 对电能的需求。然而，在电网运行过程中因短 路故障而出现电网事故时，将会带来巨大的安 全灾难和经济损害。因此在建设新的输变电工 程时，必须对其进行短路计算以确定可行性。 国内外很早就展开了关于电力系统短路 计算方面的研究。有关短路计算的新算法方面， 文献[2] 基于对发电机的短路情况进行分析， 认为一个标准的短路计算过程过于复杂，实际 情况下的短路电流计算过程可以采取基于标准 算法简化后的新算法，并且提出了一种新的电 力系统短路模型组件。文献[3] 对基于短路故 障类型提出了一个两步补偿方法，其实质是因 为短路故障引起了电网的网络结构发生变化， 因此引入一个补偿电流去修改其系统的平衡 性。文献[4] 提出了一种基于对称分量法的短 路电流数学计算模型，该模型应用零阻抗支路 模拟开关设备来直接计算故障时的短路电流， 并通过应用实例证实了该模型的可靠性。基于 此研究，文献则通过将断路器模拟为阻抗为零 的支路来分析故障时的短路电流，提出了一种 基于变结构模型的短路电流新算法，该方法可 对电气计算中常规的短路计算进行重要补充。 根据我国电力系统的发展趋势，文献[6] 分析 了其直流网状结构特点并提出了利用等值变换 将直流网状结构简化后进行计算的新算法，该 方法是将直流侧的短路故障等效为发电机的三 相对称短路，从而计算母线的短路电流。 本文通过对短路计算的理论模型进行分 析，建立了基于多端口网络补偿法的短路计算 方程，结合湖北省荆州市江陵新修220kV 输 变电工程的工程实例，计算出荆州大型变电站 的短路电流值，从而对该输变电工程的建设可 行性进行理论分析，并为该工程的建设以及选 址提供参考。 2 短路计算理论模型 2.1 任意点处电压计算 节点电压方程是根据基尔霍夫电流定律， 建立起的反映节点电压与电流之间关系的数学 模型，其等值网络[7] 模型如图1 所示。其以 节点导纳矩阵表示的节点电压方程[8] 为 （1） 若等式两边同时乘以，则有 令 ，展开后可得到由节点阻抗矩阵表示 的节点电压方程为 （2） 式中， 是节点导纳矩阵的逆阵，也是一 个阶的矩阵，称为节点阻抗矩阵；节点阻抗 矩阵的对角元素称为自阻抗；非对角元素称 为互阻抗。 2.2 节点阻抗参数计算 将（3）式展开可得到 （3） 当给节点注入单位电流，其他节点的电 流源全部开路时，节点的电压，即有自阻抗 为 这时，任意节点的自阻抗等于电源节点 的自阻抗加上与节点之间所有支路的阻抗之 和[9]，即 （4） 式中， 是由电源节点 到节点 之间的节点 集合， 是第 条支路的自阻抗。 因此当节点、 属于两个不同支路组、时， 则等于这两支路的公共节点的自阻抗，即； 当节点、 属于同一支路的时候, 则等于较小 节点号的自阻抗，即。 3 基于多端口补偿法的短路计算 假设任意支路出现了一个故障点，如图 2 所示。 当支路位于环网以外时，故障处的节点 电压为 （5） 同理，当支路位于环网以内时，故障处 的节点电压为 （6） 由公式（5）和公式（6）可以看出，计算 故障处电流产生的节点电压关键在于如何直接 由支路的阻抗参数求得有关的节点参数[10]。 3.1 节点阻抗参数直接计算模型 假设电网具有个节点的有源网络代表系 统正常状态的等值网络[11]，此时可选择电源 作为根部节点，如图3 所示。这时为了将计算 量降到最低，可对支路以及节点按照辐射关系 进行编号分组，编号与分组情况如表1 所示。 表1：支路分组情况 3.2 补偿法短路电流计算 在配电网出现环网运行的情况下时，需要 通过解环过程将环网配电网变成辐射配电网， 此时需要对解环的支路进行补偿计算以保证不 变性[12]。因为当配电网发生短路故障时，其 网络的结构会发生变化，这时需要通过引入补 偿电流来模拟短路影响，如图4 所示。 假设系统中的节点经过阻抗发生短路。 则此时引入的补偿电流 （7） 根据叠加原理与多端等值法原理[13] 计 算配电网中故障点的等值阻抗，当故障点出 现在环网外时， 的值为 （8） 同理，当故障点出现在环网之内的时候， 其值为 （9） 因此可求得故障点处的三相短路电流为 4 工程实际算例分析 湖北省荆州市准备利用220kV 楚都~ 公 安线路、220kV 楚都~ 容城线路新建一座 220kV 郝穴变电站，相关线路的距离情况如图 5 所示。 “π”字形的220kV 楚都～公安线路需要 新建线路约11.8km；“π”字形的220kV 楚 都～容城线路需要新建线路约4km。可能的电 源接入点主要有220kV 楚都变电站，距离约 18km，考虑到楚都变电站位于荆州市开发区， 线路廊道开辟比较困难，并且楚都变电站至郝 穴变电站方向有现成的楚都~ 容城、楚都~ 公 安线路走廊，因此本论文计算新建220kV 变 电站时不考虑郝穴变电站从楚都变电站直接引 接电源。 4.1 短路计算条件 由于篇幅有限，本论文只考虑计算2015 年和2020 年的220kV 变电站单相与三相短路 电流值。据湖北省220kV 及以上电网结构必 须参考《湖北电网“十二五”发展规划》推 荐的网络结构，在2015 年，荆州江南江北电 网开环运行，荆州江北电网与荆门电网合环运 行，荆州江北电网与宜昌江北电网开环运行， 即开断江陵～枝江、纪南～枝江线路；荆州 江南电网与宜昌江南电网合环运行；在2020 年，荆州江南江北电网开环运行，荆州江北电 网与荆门电网开环运行，荆州江南电网与宜昌 江南电网合环运行。同时为了限制兴隆变电站 的短路电流，将500kV 兴隆变电站的220kV 母线分母运行，兴隆变电站东的100 万主变与 500kV 仙桃变电站成片运行，西片2×75 万主 变与500kV 江陵变电站成片运行。同时，考 虑500kV 变电站自耦变压器直接接地运行， 220kV 变电站考虑半数及以上变压器中性点直 接接地运行，发电厂有多台升压变压器时，考 虑半数及以上变压器中性点直接接地运行。湖 北省电网的主要电源装机见表1，采用系统最 大运行方式。 4.2 短路计算结果 根据以上的计算条件，新建郝穴变电站的 接入系统按照拟定方案计算荆州电网在2015 年和2020 年的短路电流，结果如表2 所示。 根据表2 中计算结果可见，新建220kV 郝穴变电站的三相短路电流与单相短路电流在 2015 年分别为16.71kA 和12.62kA， 在2020 年分别为39.27kA 和28.1kA。220kV 仙东变 电站的三相短路电流与单相短路电流在2015 年分别为18.05kA 和12.44kA，三相短路电流 与单相短路电流在2020 年分别为29.89kA 和 25.43kA。兴隆变电站220kV 三相短路电流与 单相短路电流在2015 年约49kA 左右，江陵 变电站220kV 三相短路电流与单相短路电流 约45kA 左右，因此兴隆变电站在2020 年可 以进行220kV 侧分母线运行，即可将兴隆变 电站220kV 的短路电流控制在38kA~40kA 左 右，江陵变电站220kV 短路电流控制在44kA 左右。 5 结论 本论文通过分析短路计算的理论模型， 建立基于补偿电流法的短路电流方程计算荆 州新建220kV 输变电实际工程的短路电流。 可以发现在2015 年， 荆州郝穴220kV 变电 站的短路电流约为16.71kA，在2020 年约为 28.1kA。兴隆变电站220kV 短路电流在2015 年约49kA 左右，江陵变电站220kV 短路电流 约45kA 左右，因此可将兴隆变电站在2020 年进行220kV 侧分母线运行，即可将兴隆变 电站220kV 的短路电流控制在38kA 左右，江 陵变电站220kV 的短路电流控制在44kA 左右。 参考文献 [1] 刘振亚. 智能电网技术[M]. 中国电力出 版社，2010:1-8. [ 2 ] P a r i s e G . A n e w a p p r o a c h t o c a l c u l a t e t h e d e c a y i n g A C contributions to short circuit：the "characteristic" currents method[J]. I E E E T r a n s a c t i o n s o n I n d u s t r y Applications，1995，131（1）：214- 221. [ 3 ] G r o s s G ， H o n g H . W . A T w o - S t e p Compensation Method for Solving S h o r t C i r c u i t P r o b l e m s [ J ] . I E E E Transactions on Power Apparatus and Systems，1982，101（6）：1322-1331. [4] 罗庆跃，朱群峰，宁佐益等. 零阻抗支路 短路电流计算的数学模型[J]. 电工技术 学报，2006，21（11）：54-58 [5] 罗庆跃，李晓明. 结构模型短路电流计算 方法[J]. 中国电机工程学报，2005，25（1）： 77-80. [6] 付立军，陈波，叶志浩. 直流网状网络短 路电流计算[J]. 高电压技术，2008，34（8）： 1731-1736. [7] 傅旭，王锡凡. 含限流器的电力系统断相 加短路故障计算相补偿法[J]. 电网技术， 2004，28（14）：36-39. [8] 曹娜. 电力系统分析[M]. 北京市：北京 大学出版社，2009，2：72-82. [9] 熊玮，夏文龙，余晓鸿，林湘宁. 多核并 行计算技术在电力系统短路计算中的应用 [J]. 电力系统自动化，2011，35（8）： 49-53. [10] 曹国臣，宋家骅，柳焯.66kV 及以下电 网短路计算的新方法[J]. 中国电机工程 学报，1997，17（3）：207-210 . [11] 翁蓝天，茹立鹏，刘开培，丁心海. 基 于等效电源法的树型配电网短路计算[J]. 武汉大学学报，2008，41（3）：113- 117. [12] 卢本初，张哲，陈红坤. 配电网潮流短 路计算统一分析方法[J]. 广西电力， 2004，6：10-13. [13] 孙奇珍，蔡泽祥，龙霏. 互联电网的多 端等值方法及其误差分析[J]. 电网技术， 2008，32（23）：67-71. 作者单位 国网荆州供电公司经济技术研究所 湖北省荆 州市 434000 作者简介 何艺（1983-），湖北省荆州市 人。本科学历。 现为国网荆州供电公司经济技术研究所 初级 工程师。研究方向: 电力系统分析 |
| 在线咨询: |
|
| 联系电话: | 18602588568 |
| 投稿邮箱: | bosslunwen@126.com |
| ★诚信★专业★权威★快速★ | |
