港口供電系統(tǒng)短路電流計(jì)算實(shí)用方法及工程應(yīng)用

劉慶國 楊承志

交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院

摘 要：在分析電力系統(tǒng)短路電流計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了港口供電系統(tǒng)短路電流計(jì)算實(shí)用方法，結(jié)合港口電氣系統(tǒng)工程特點(diǎn)，提出了變壓器高低壓側(cè)、設(shè)備進(jìn)線端等關(guān)鍵位置的短路電流計(jì)算步驟和算式，并通過實(shí)際工程對該實(shí)用方法進(jìn)行了工程驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：短路電流； 計(jì)算方法； 系統(tǒng)容量； 短路阻抗

1 引言

港口供電系統(tǒng)絕緣遭到破壞后會形成低阻抗通路，短路電流可達(dá)幾十安到數(shù)千安，可造成巨大危害。短路點(diǎn)導(dǎo)體間產(chǎn)生較大的機(jī)械應(yīng)力，破壞導(dǎo)體和支架的機(jī)械強(qiáng)度，嚴(yán)重時(shí)會造成電網(wǎng)損壞、電網(wǎng)停電等重大事故。

本文在總結(jié)港口電氣工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了港口供電系統(tǒng)短路電流計(jì)算實(shí)用方法，結(jié)合港口電氣系統(tǒng)工程特點(diǎn)，提出了變壓器高低壓側(cè)、設(shè)備進(jìn)線端等關(guān)鍵位置的短路電流計(jì)算步驟和算式，可快速、準(zhǔn)確、簡捷地計(jì)算出故障點(diǎn)短路電流。

2 供電系統(tǒng)常用短路電流計(jì)算方法

目前國內(nèi)短路電流計(jì)算主要使用等效電壓源法和實(shí)用計(jì)算法。

等效電壓源法技術(shù)原理基于IEC 60909標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，是當(dāng)前國際上廣泛采用的短路電流計(jì)算方法，其計(jì)算結(jié)果相對安全，適用于電路遠(yuǎn)端短路和近端短路，但該方法計(jì)算量大，且前期技術(shù)參數(shù)需求較多，一般不能滿足工程設(shè)計(jì)需要。

實(shí)用計(jì)算法技術(shù)原理基于前蘇聯(lián)短路電流計(jì)算技術(shù)，其根據(jù)國產(chǎn)同步發(fā)電機(jī)參數(shù)和容量配置，用概率統(tǒng)計(jì)方法，制定了短路周期分量運(yùn)算曲線，計(jì)算過程較為簡便，是國內(nèi)電氣工程短路電流計(jì)算的重要方法，已制定《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5153-2014)、《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(DL/T 5222-2005)、《水電工程三相交流系統(tǒng)短路電流計(jì)算導(dǎo)則》(NB/T 35043-2014)等電力、能源行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但該計(jì)算方法缺乏理論基礎(chǔ)，是工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

3 港口供電系統(tǒng)短路電流計(jì)算實(shí)用方法

3.1 港口供電系統(tǒng)特點(diǎn)

港口供電系統(tǒng)主要由地區(qū)電力網(wǎng)、港區(qū)總降壓變電所、港區(qū)配電線路、前沿變電所、高低壓配電系統(tǒng)等部分構(gòu)成，一般均從地區(qū)電力網(wǎng)實(shí)現(xiàn)電能輸入，通過降壓變電站降低輸送電壓，由港區(qū)配電線路將電力輸配到各港區(qū)變電所，再經(jīng)高低壓配電系統(tǒng)把電力傳輸?shù)礁飨到y(tǒng)及設(shè)備端口，為終端用電設(shè)備提供電力供給。對國內(nèi)大部分港口而言，電力自110 kV或35 kV地區(qū)高壓電力網(wǎng)引入港區(qū)總降壓變電所，通過降壓設(shè)備將其降低到10 kV或6 kV，然后分配至港區(qū)前沿變電所，根據(jù)用途及類別，通過高低壓配電系統(tǒng)把電力傳輸?shù)? kV、0.69 kV、0.4 kV等電氣系統(tǒng)及電氣設(shè)備。

港口供電系統(tǒng)簡易饋電網(wǎng)絡(luò)見圖1。圖中K1點(diǎn)為變壓器低壓側(cè)短路時(shí)高壓側(cè)短路點(diǎn)(高壓短路點(diǎn))，K2點(diǎn)為變壓器低壓側(cè)短路點(diǎn)(低壓短路點(diǎn))，K3點(diǎn)為設(shè)備進(jìn)線端三相短路/單相短路時(shí)點(diǎn)(末端用電設(shè)備短路點(diǎn))。

圖1 港口供電系統(tǒng)饋電網(wǎng)絡(luò)簡圖

根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊》的相關(guān)內(nèi)容，在供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，設(shè)計(jì)部門需要業(yè)主或供電部門提供本工程總變電站的最大和最小運(yùn)行方式下的短路數(shù)據(jù)、中性點(diǎn)接地方式、電網(wǎng)單相接電容電流值、繼電保護(hù)方式等技術(shù)初始資料[1]。由于各種主客觀原因，設(shè)計(jì)部門無法取得相關(guān)數(shù)據(jù)，為了工程安全、可靠，電氣技術(shù)人員致力于短路電流計(jì)算方法的研究，在缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)的前提下，研究并推導(dǎo)了短路電流計(jì)算步驟和算式，在計(jì)算的準(zhǔn)確性、參數(shù)的簡化性、工程的實(shí)用性等方面達(dá)到了最佳平衡點(diǎn)。

3.2 高壓短路點(diǎn)計(jì)算步驟(K1點(diǎn))

變壓器的阻抗電壓是在額定頻率和參考溫度下，當(dāng)變壓器二次繞組短路(穩(wěn)態(tài))，一次繞組流通額定電流而施加的電壓，通常以額定電壓的百分?jǐn)?shù)表示：

Uz=×100=×100%

(1)

式中，Uz為阻抗電壓，kV；U1n為變壓器高壓側(cè)額定電壓，kV；ZK為變壓器總阻抗，Ω。

由變壓器的等值電路(見圖2)可知，低壓側(cè)短路后的阻抗折算到高壓側(cè)，與高壓側(cè)阻抗相加后得總阻抗ZK=Rk+jXk。勵(lì)磁電流I0在原邊漏阻抗Z1上產(chǎn)生的壓降很小，因此在計(jì)算變壓器電流時(shí)通常忽略勵(lì)磁電流。

ZK=×=×

(2)

(3)

XK=

(4)

式中，PK為變壓器的空載損耗，kW；Un為變壓器額定電壓，kV；RK為變壓器電阻，Ω；XK為變壓器電抗，；ST為變壓器的額定容量，MVA。

圖2 變壓器等值電路圖

對于港口供電系統(tǒng)來說，單個(gè)變壓器容量遠(yuǎn)小于系統(tǒng)短路容量，實(shí)際工程中可認(rèn)為當(dāng)變壓器低壓側(cè)短路時(shí)，高壓側(cè)系統(tǒng)的短路容量為無窮大。根據(jù)標(biāo)幺值計(jì)算方法，可以得出變壓器低壓側(cè)短路時(shí)標(biāo)幺值的計(jì)算式[2]：

XT=×

(5)

Xs=

(6)

X∑=XT+XS

(7)

Sd=×Sj=×Sj=×ST

(8)

式中，Sj為基準(zhǔn)容量，MVA；ST為變壓器的額定容量，MVA；S″為系統(tǒng)短路容量，MVA；XT為變壓器標(biāo)幺值；XS為系統(tǒng)標(biāo)幺值。

由式(8)及三相電流計(jì)算公式I=，可推導(dǎo)出變壓器高壓側(cè)短路電流計(jì)算式：

I1d=×

(9)

式中，I1d為變壓器高壓側(cè)短路電流初始值，kA；I1T為變壓器高壓側(cè)額定電流，kA；ST為變壓器的額定容量，kVA。

3.3 低壓短路點(diǎn)計(jì)算步驟(K2點(diǎn))

由式(8)及三相電流計(jì)算公式I=，可推導(dǎo)出變壓器低壓側(cè)短路電流計(jì)算式：

I2d=×

(10)

式中，I2d為變壓器低壓側(cè)短路電流初始值，kA；I1T為變壓器高壓側(cè)額定電流，kA；ST為變壓器的額定容量，kVA；U2n為變壓器低壓側(cè)額定電壓，kV。

3.4 末端用電設(shè)備短路點(diǎn)計(jì)算步驟(K3點(diǎn))

3.4.1 進(jìn)線端三相短路

為了保證港口供電可靠性及負(fù)荷分配合理性，港口變電站的主接線方式一般采用單母線分段的方式，饋線采用放射式。

當(dāng)設(shè)備采用低壓供電、進(jìn)線端三相短路時(shí)，采用有名制計(jì)算短路電流初始值，計(jì)算式如下所示：

Id==

(11)

R∑=RS+RT+Rm+RL

(12)

X∑=XS+XT+Xm+XL

(13)

式中，Un為標(biāo)稱電壓，V,設(shè)計(jì)手冊規(guī)定220 V/380 V網(wǎng)絡(luò)電壓取值為380 V；c為電壓系數(shù)，計(jì)算三相電流時(shí)取標(biāo)稱電壓的1.05；Z∑、R∑、X∑分別為短路電路總阻抗、總電阻、總電抗，mΩ；RS、XS為變壓器高壓側(cè)系統(tǒng)的電阻、電抗(此處均取0)，mΩ；RT、XT為變壓器電阻、電抗，mΩ；Rm、Xm為變壓器低壓側(cè)母線段電阻、電抗，mΩ；RL、XL為配電線路電阻、電抗，mΩ；Id為三相短路電流初始值，kA。

3.4.2 進(jìn)線端單相短路

當(dāng)設(shè)備采用低壓供電、進(jìn)線端單相短路時(shí)，采用有名制計(jì)算短路電流初始值，計(jì)算式如下所示：

(14)

Rphp=(R(1)+R(2)+R(0)ph+3R(0)p)=Rph+Rp

(15)

Xphp=(X(1)+X(2)+X(0)ph+3X(0)p)=Xph+Xp

(16)

R∑php=RSphp+RTphp+Rmphp+RLphp

(17)

X∑php=XSphp+XTphp+Xmphp+XLphp

(18)

式中，Un為標(biāo)稱電壓，V，設(shè)計(jì)手冊規(guī)定220 V/380 V網(wǎng)絡(luò)電壓取值為380 V；Z∑php、R∑php、X∑php分別為短路電路相?？傋杩埂⑾啾？傠娮?、相?？傠娍?，mΩ；RSphp、XSphp為變壓器高壓側(cè)系統(tǒng)的相保電阻、相保電抗，mΩ；RTphp、XTphp為變壓器相保電阻、相保電抗，mΩ；Rmphp、Xmphp為變壓器低壓側(cè)母線段相保電阻、相保電抗，mΩ；RLphp、XLphp為配電線路相保電阻、相保電抗，mΩ；為單相短路電流初始值，kA；Rph、R(0)ph、X(0)ph分別為相線電阻、相線零序電阻、相線零序電抗，mΩ；Rp，R(0)p，X(0)p分別為保護(hù)線電阻、保護(hù)線零序電阻、保護(hù)線零序電抗，mΩ。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

我國北方某港在某小變電站的主接線采用雙路進(jìn)線，單母線分段方式，主要為4套皮帶機(jī)、8個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)站提供約1 000 kVA的電力供給，主接線方式見圖3。

圖3 主接線系統(tǒng)圖

根據(jù)負(fù)荷計(jì)算，變壓器的額定容量為ST =1 000 kVA，U1N/U2N=10/0.4 kV，UZ=6%。

由于業(yè)主無法提供短路電流計(jì)算所需的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，現(xiàn)假定變壓器低壓側(cè)出現(xiàn)三相短路時(shí)，變壓器高壓側(cè)三相短路點(diǎn)(高壓短路點(diǎn)K1)、變壓器低壓側(cè)三相短路點(diǎn)(低壓短路點(diǎn)K2)根據(jù)公式(9)、公式(10),計(jì)算結(jié)果為：K1=0.916 kA，K2=24.056 kA。

采用供電電纜YJV22-0.6/1-(3×70+1×35)，當(dāng)長度為167 m、K3點(diǎn)發(fā)生三相短路時(shí)，設(shè)備進(jìn)線端三相短路時(shí)點(diǎn)(末端用電設(shè)備短路點(diǎn)K3)，根據(jù)公式(11)，三相短路計(jì)算結(jié)果為：K3=3.88 kA。

當(dāng)K3點(diǎn)發(fā)生單相短路時(shí)，，設(shè)備進(jìn)線端單相短路時(shí)點(diǎn)(末端用電設(shè)備短路點(diǎn)K3)，根據(jù)公式(14)，單相短路計(jì)算結(jié)果為：K31=1.32 kA。

5 結(jié)語

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，項(xiàng)目組開展了后續(xù)相關(guān)開關(guān)設(shè)備選擇、繼電保護(hù)及參數(shù)整定等設(shè)計(jì)工作，并將研究計(jì)算數(shù)據(jù)投入到實(shí)際工程應(yīng)用中。經(jīng)多年運(yùn)行和實(shí)際驗(yàn)證，本方法的計(jì)算數(shù)據(jù)滿足實(shí)際工程應(yīng)用需要，達(dá)到了工程在缺少原始數(shù)據(jù)的前提下的安全運(yùn)行目標(biāo)。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院組編工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(第四版)[M].北京：中國電力出版社,2016.

[2] 王振聲,王玉卿.35～6/0.4 kV配變電系統(tǒng)短路電流計(jì)算實(shí)用手冊[M].北京：中國電力出版社,2004.

Short-Circuit Current Calculation Method for Port Power Supply System and Its Engineering Application

Liu Qinguo Yang Chengzhi

China Waterborne Transport Research Institute

Abstract：Based on the analysis of short-circuit current calculation method in power system, the practical method of short circuit current calculation of port power supply system is deduced. Combining with the characteristics of the port electrical system engineering, the calculation steps and formulas of the short-circuit current of the high and low voltage side of the transformer and the critical line of the equipment are put forward. The practical method is verified by practical engineering.

Key words：short-circuit current; calculation method; system capacity; short-circuit impedance