龍?chǎng)?，張軒，林建熙，康李一，葛?mèng)昕，樊友平

(1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510600；2. 武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

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短路計(jì)算中并聯(lián)電容以及充電功率的影響研究

龍?chǎng)?，張軒1，林建熙1，康李一2，葛夢(mèng)昕2，樊友平2

(1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510600；2. 武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

摘要：從理論上分析了并聯(lián)補(bǔ)償電容和線路充電功率對(duì)短路電流計(jì)算結(jié)果的影響，選取某地區(qū)電網(wǎng)“夏大方式”的計(jì)算模型和數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，計(jì)及并聯(lián)電容、充電功率的影響時(shí)，短路電流的計(jì)算結(jié)果均會(huì)偏小，驗(yàn)證了理論分析中所得的變化規(guī)律。分析并找出本地區(qū)計(jì)算結(jié)果偏差比較大的廠站及偏差原因。最后建議各個(gè)電力部門在進(jìn)行電網(wǎng)規(guī)劃、運(yùn)行時(shí)要注意協(xié)調(diào)配合，避免進(jìn)行短路電流計(jì)算時(shí)未考慮并聯(lián)電容或充電功率導(dǎo)致計(jì)算值偏于樂觀而導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行中短路電流水平超標(biāo)現(xiàn)象，提升了短路電流理論計(jì)算值與實(shí)際運(yùn)行值的契合度。

關(guān)鍵詞：短路電流；計(jì)算模型；充電功率；并聯(lián)電容；電網(wǎng)規(guī)劃

短路電流計(jì)算是電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、繼電保護(hù)整定計(jì)算、電氣設(shè)備選擇校驗(yàn)等工作的基礎(chǔ)，其計(jì)算結(jié)果的精確性將直接影響整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行。因此短路電流計(jì)算是電力系統(tǒng)分析最重要的內(nèi)容之一。

目前主要應(yīng)用BPA電力系統(tǒng)分析軟件對(duì)廣東電網(wǎng)進(jìn)行短路電流計(jì)算。使用BPA程序進(jìn)行短路電流計(jì)算時(shí)，采用等效電壓源法來計(jì)算短路電流[1-4]，初始條件的設(shè)置主要包括：是否基于潮流，是否考慮線路充電功率，是否考慮負(fù)荷的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)模型，正序是否考慮無功補(bǔ)償，是否忽略非標(biāo)準(zhǔn)變比等[5-7]。

電網(wǎng)不同部門在進(jìn)行短路電流計(jì)算時(shí)，由于計(jì)算時(shí)所關(guān)注的重點(diǎn)不同，因此進(jìn)行短路電流計(jì)算時(shí)初始條件的設(shè)置往往不同[8-9]。對(duì)于短路電流水平裕度較大的站點(diǎn)，不同初始條件下的計(jì)算差別對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響較??；而對(duì)于短路電流水平裕度較低的站點(diǎn)，初始條件設(shè)置的差異可能導(dǎo)致有些部門算出的短路電流在允許范圍內(nèi)，而實(shí)際中的短路電流已經(jīng)超過了開關(guān)遮斷容量。因此需要對(duì)于不同初始條件下的短路電流計(jì)算的偏差值進(jìn)行對(duì)比研究，使其計(jì)算結(jié)果更接近于實(shí)際值，避免短路電流計(jì)算偏于保守而導(dǎo)致實(shí)施限流措施中的投資浪費(fèi)，以及避免短路電流計(jì)算偏于樂觀可能對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成的影響[10-11]。

本文研究短路電流計(jì)算中初始條件設(shè)置的不同導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的偏差對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的影響，主要包括是否計(jì)入變電站并聯(lián)電容以及是否計(jì)入線路充電功率，結(jié)合機(jī)理分析以及仿真分析，根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)的站點(diǎn)情況以及地理接線圖，分析了計(jì)算結(jié)果偏差比較大的站點(diǎn)及其偏差原因，使理論計(jì)算的短路電流結(jié)果與實(shí)際情況更為契合，避免因初始條件設(shè)置中未計(jì)并聯(lián)電容或充電功率的影響，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏于保守，從而導(dǎo)致投資浪費(fèi)情況。研究結(jié)果能為后續(xù)電網(wǎng)中限流措施的規(guī)劃提供技術(shù)參考。

1變電站模型簡介

表1計(jì)及并聯(lián)補(bǔ)償電容前后500 kV站點(diǎn)等值阻抗和短路電流計(jì)算結(jié)果

廠站名等值阻抗/Ω不考慮并聯(lián)電容考慮并聯(lián)電容等值阻抗差值/Ω短路電流/kA不考慮并聯(lián)電容考慮并聯(lián)電容短路電流差值/kA短路電流差異率/%A5.6446.1560.51251.15146.893-4.258-8.32B5.6176.3710.75451.39245.316-6.076-11.82C5.5086.0920.58452.41147.390-5.021-9.58D5.3675.7220.35553.78550.446-3.339-6.21E5.2855.7200.43554.62350.474-4.149-7.60F5.4966.2720.77552.52646.027-6.499-12.37G5.3525.8800.52953.94249.095-4.847-8.99H5.1495.6570.50756.05751.030-5.027-8.97I5.4925.9480.45752.56348.527-4.036-7.68J5.5616.3390.77851.91045.542-6.368-12.27K5.6006.0570.45751.54647.659-3.887-7.54L5.5115.7490.23852.38150.211-2.170-4.14M5.6826.1790.49750.80146.716-4.085-8.04N5.2035.9530.75055.47648.498-6.978-12.58

圖1為不考慮變電站并聯(lián)補(bǔ)償電容器組以及線路充電功率的500 kV變電站正序等值網(wǎng)絡(luò)。

圖1　500 kV變電站正序等值網(wǎng)絡(luò)

圖中XT1為變壓器T形等值電路的正序電抗，變電站主變?cè)蕉嘣撝翟叫?；XHTS1為高壓母線對(duì)地正序電抗，表征與該母線相連的所有高壓站點(diǎn)的轉(zhuǎn)移電抗大小，即高電壓等級(jí)電網(wǎng)間電氣距離，高電壓等級(jí)電網(wǎng)電氣聯(lián)系越緊密，該值越??；XLTS1為低壓母線對(duì)地正序阻抗，表征與低壓母線相連的所有站點(diǎn)的轉(zhuǎn)移電抗大小，即低壓電網(wǎng)間電氣距離，低壓電網(wǎng)電氣聯(lián)系越緊密，該值越小；UHS1和ULS1分別為高壓側(cè)系統(tǒng)等值電壓源、低壓側(cè)系統(tǒng)等值電壓源。

由于潮流計(jì)算大多使用大負(fù)荷時(shí)的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，所以500 kV變電站內(nèi)的無功補(bǔ)償裝置均為容性補(bǔ)償裝置，即并聯(lián)補(bǔ)償電容器組。裝設(shè)并聯(lián)補(bǔ)償電容器組的目的是補(bǔ)償電力系統(tǒng)感性無功功率，以提高功率因數(shù)，改善電壓質(zhì)量，降低線路損耗[12-13]。

2并聯(lián)電容的影響

2.1機(jī)理分析

500 kV變電站中的并聯(lián)電容器均裝設(shè)于主變壓器的三次側(cè)，采用雙星形或單星形接線[14]，因此對(duì)于所研究的500 kV站點(diǎn)來說，計(jì)及并聯(lián)補(bǔ)償電容器組僅會(huì)影響與低壓側(cè)母線相連的轉(zhuǎn)移電抗大小。

2.1.1不計(jì)并聯(lián)電容影響

圖2為不計(jì)并聯(lián)電容時(shí)低壓側(cè)支路正序等值網(wǎng)絡(luò)。其中短路故障點(diǎn)為500 kV側(cè)母線處，短路類型為三相短路；電抗參數(shù)為同一基準(zhǔn)容量SB下的標(biāo)幺值。以下各等值網(wǎng)絡(luò)的條件與此相同。

E″—短路計(jì)算時(shí)的等效電壓源。圖2　不計(jì)并聯(lián)電容低壓側(cè)支路正序等值網(wǎng)絡(luò)

不考慮變電站并聯(lián)補(bǔ)償時(shí)，低壓側(cè)支路流入故障點(diǎn)處的短路電流有名值如下式所示，其中UB為故障點(diǎn)處的基準(zhǔn)電壓。

(1)

2.1.2計(jì)及并聯(lián)電容的影響

圖3為計(jì)及并聯(lián)電容低壓側(cè)支路正序等值網(wǎng)絡(luò)，XC為站點(diǎn)并聯(lián)電容等值電抗。

圖3　計(jì)及并聯(lián)電容低壓側(cè)支路正序等值網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)計(jì)及變電站并聯(lián)電容器組的影響時(shí)，故障點(diǎn)處的短路電流有名值

(2)

計(jì)算可知I″k1

2.2電網(wǎng)仿真分析

運(yùn)用BPA軟件，選取“夏大方式”的某地區(qū)電網(wǎng)計(jì)算模型和數(shù)據(jù)，分析無功補(bǔ)償對(duì)短路電流計(jì)算的影響，對(duì)短路電流裕度較小的500 kV變電站進(jìn)行仿真分析。

2.2.1電網(wǎng)仿真數(shù)據(jù)

在是否計(jì)及變電站并聯(lián)補(bǔ)償電容下的電網(wǎng)短路點(diǎn)等值阻抗以及短路電流計(jì)算結(jié)果見表1。

2.2.2仿真結(jié)果分析

由表1的仿真結(jié)果可以得出，與不考慮并聯(lián)電容影響比較，考慮并聯(lián)電容時(shí)的短路點(diǎn)的等值阻抗較大，短路電流計(jì)算值較小，符合計(jì)算的分析結(jié)果。

由表1中短路電流計(jì)算值的差值以及差異率可知，并聯(lián)電容的計(jì)及與否對(duì)短路電流的計(jì)算值影響較大，考慮并聯(lián)電容影響的短路電流平均值較不考慮并聯(lián)電容的短路電流計(jì)算結(jié)果小4.9 kA，平均差異率為-9.2%。

其中，N、F、J、B等站點(diǎn)偏差在6 kA以上，差異率達(dá)到了12%左右。

如圖4所示，偏差和差異率較大的這幾個(gè)站點(diǎn)處于負(fù)荷中心區(qū)域，主變壓器無功損耗和下送無功壓力較大，為維持地區(qū)電網(wǎng)無功平衡，容性無功補(bǔ)償容量需求較大，因此站點(diǎn)的容性無功補(bǔ)償設(shè)備配置比例較高，從而使得這些站點(diǎn)短路電流計(jì)算值受并聯(lián)電容的影響較大。

圖4　地區(qū)電網(wǎng)部分網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

從圖4可知，這些站點(diǎn)的電氣聯(lián)系也較為緊密，進(jìn)一步增加了短路電流計(jì)算時(shí)變電站容性無功補(bǔ)償對(duì)短路電流計(jì)算值的影響。

3線路充電功率的影響

線路太長時(shí)，會(huì)產(chǎn)生對(duì)地電容，由線路的對(duì)地電容電流所產(chǎn)生的無功功率，稱為線路的充電功率，反映載流線路周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng)效應(yīng)[15]。

3.1機(jī)理分析

將反映載流線路周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng)效應(yīng)的線路總導(dǎo)納的1/2分別接在電路的始、末端，得到線路的等值電路。發(fā)生短路故障時(shí)，與母線相連的高、低壓側(cè)支路的等值電抗均會(huì)受到線路充電功率的影響。3.1.1高壓側(cè)支路不計(jì)充電功率的影響

表2計(jì)及充電功率前后500kV站點(diǎn)等值阻抗和短路電流計(jì)算結(jié)果

廠站名等值阻抗/Ω不考慮充電功率考慮充電功率等值阻抗差值/Ω短路電流/kA不考慮充電功率考慮充電功率短路電流差異/kA短路電流差異率/%A5.6445.8240.18051.15149.567-1.584-3.10B5.6175.8970.28051.39248.956-2.436-4.74C5.5085.7150.20852.41150.510-1.901-3.63D5.3675.5170.15053.78552.318-1.467-2.73E5.2855.4470.16254.62352.995-1.628-2.98F5.4965.8350.33852.52649.474-3.052-5.81G5.3525.5510.20053.94251.997-1.945-3.61H5.1495.3630.21456.05753.828-2.229-3.98I5.4925.6650.17352.56350.956-1.607-3.06J5.5615.7370.17651.91050.318-1.592-3.07K5.6005.7810.18251.54649.927-1.619-3.14L5.5115.6940.18352.38150.698-1.683-3.21M5.6825.8840.20250.80149.066-1.735-3.42N5.2035.3800.17655.47653.659-1.817-3.28

圖5為不計(jì)線路充電功率時(shí)高壓側(cè)支路正序等值網(wǎng)絡(luò)，XL1為輸電線路正序等值電抗。為了便于分析，將XHTS1拆分計(jì)算，虛擬一變量XHT1，滿足XL1+XHT1=XHTS1。

圖5　不計(jì)充電功率高壓側(cè)支路正序等值網(wǎng)絡(luò)

不考慮線路充電功率時(shí)，500 kV側(cè)相連的系統(tǒng)流入故障點(diǎn)處的短路電流有名值

(3)

3.1.2高壓側(cè)支路計(jì)及充電功率的影響

圖6為計(jì)及線路充電功率時(shí)高壓側(cè)支路正序等值網(wǎng)絡(luò)，其中XQ為線路一側(cè)對(duì)地電容正序等值電抗。

圖6　計(jì)及充電功率高壓側(cè)支路正序等值網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)僅考慮故障側(cè)的充電功率時(shí)，與500 kV側(cè)相連的系統(tǒng)流入故障點(diǎn)處的短路電流有名值

(4)

式中：QL為線路每一側(cè)的充電功率有名值。

當(dāng)計(jì)入線路兩側(cè)的充電功率，即忽略靜態(tài)負(fù)荷時(shí)，故障點(diǎn)處的短路電流有名值

(5)

其中a1與XHT1、XL1和XQ有關(guān)，并且滿足a1<1。分析可知：

(6)

3.1.3低壓側(cè)支路不計(jì)充電功率的影響

圖7為不計(jì)線路充電功率時(shí)低壓側(cè)支路正序等值網(wǎng)絡(luò)，XL1為輸電線路正序等值電抗。為了便于分析，將XLTS1拆分計(jì)算，虛擬一變量XLT1，滿足XL1+ XLT1=XLTS1。

圖7　不計(jì)充電功率低壓側(cè)支路正序等值網(wǎng)絡(luò)

不考慮線路充電功率時(shí)，低壓側(cè)相連的系統(tǒng)流入故障點(diǎn)處的短路電流有名值

(7)

3.1.4低壓側(cè)支路計(jì)及充電功率的影響

圖8為計(jì)及線路充電功率時(shí)低壓側(cè)支路正序等值網(wǎng)絡(luò)。

圖8　計(jì)及充電功率低壓側(cè)支路正序等值網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)僅考慮故障側(cè)的充電功率時(shí)，與低壓側(cè)相連的系統(tǒng)流入故障點(diǎn)處的短路電流有名值

(8)

計(jì)算可知I″k1

(9)

其中a2與XLT1、XL1、XQ以及XT1有關(guān)，并且滿足a2<1。分析可知：

(10)

因此當(dāng)計(jì)入線路兩側(cè)充電功率時(shí)，短路故障點(diǎn)等值阻抗將增大，短路電流計(jì)算結(jié)果將偏小。

3.2電網(wǎng)仿真分析

采用“夏大方式”的某地區(qū)電網(wǎng)計(jì)算模型和數(shù)據(jù)，運(yùn)用BPA軟件，分析線路充電電容對(duì)短路電流計(jì)算的影響，在地區(qū)電網(wǎng)中選出短路電流裕度較小的500 kV變電站進(jìn)行仿真分析。

3.2.1電網(wǎng)仿真數(shù)據(jù)

地區(qū)電網(wǎng)在是否計(jì)及線路充電功率的短路點(diǎn)等值阻抗、短路電流計(jì)算結(jié)果見表2。

3.2.2結(jié)果分析

由表2的仿真結(jié)果可以看出，與不考慮線路充電功率相比較，考慮充電功率時(shí)短路點(diǎn)的等值阻抗較大，短路電流的計(jì)算值較小，與計(jì)算的分析結(jié)果一致。由表中短路電流計(jì)算值的差值以及差異率可知，充電功率的計(jì)及與否對(duì)短路電流的計(jì)算值影響較小，考慮充電功率的影響短路電流值較不考慮充電功率的計(jì)算結(jié)果小1.8 kA，平均差異率為-3.5%。

偏差量較大的站點(diǎn)包括F、B、H，這些站點(diǎn)的計(jì)算偏差量在2 kA以上。

圖9為F站及附近站點(diǎn)的地理接線圖，由圖9可知，F(xiàn)站的出線多達(dá)11回。

圖9　500 kV F站點(diǎn)進(jìn)出線示意圖

圖10是B站及附近站點(diǎn)的地理接線圖，圖中BJT是B站內(nèi)的跳通點(diǎn)，其作用是限制B站的短路電流。由圖10可知，B站有7回出線，且B站與F站相連，電氣距離近，F(xiàn)站會(huì)對(duì)B站產(chǎn)生很大影響。

圖10　500 kV B站點(diǎn)進(jìn)出線示意圖

圖11是H站及附近站點(diǎn)地理接線圖，XJT是M站內(nèi)的跳通點(diǎn)，從圖11可知，H站有7回出線，且存在多回長距離的輸電線路。

圖11　500 kV H站點(diǎn)進(jìn)出線示意圖

分析可知，由于這些站點(diǎn)進(jìn)出線回路數(shù)較多，且存在遠(yuǎn)距離的輸電線路，造成了這些站點(diǎn)的線路充電功率較大，因此短路電流計(jì)算受充電功率的影響較大。

4結(jié)論與建議

通過對(duì)比計(jì)入并聯(lián)補(bǔ)償電容以及線路充電功率影響與否的500 kV地區(qū)電網(wǎng)短路電流的仿真結(jié)果，本文得出了以下結(jié)論：

a) 短路電流計(jì)算程序中初始條件設(shè)置的改變會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果造成影響。計(jì)及并聯(lián)電容或線路充電功率時(shí)，電網(wǎng)等值阻抗都會(huì)增大，短路電流的計(jì)算值減小。在實(shí)際電網(wǎng)中考慮這兩個(gè)因素的影響時(shí)，廠站的并聯(lián)容性無功補(bǔ)償設(shè)備配置或線路充電功率越大，計(jì)算時(shí)短路電流減小量越大。

b) 各個(gè)電力部門在進(jìn)行電網(wǎng)規(guī)劃、運(yùn)行時(shí)要注意協(xié)調(diào)配合，對(duì)于處于負(fù)荷中心區(qū)域的站點(diǎn)，并聯(lián)電容的影響較大，對(duì)于出線較多且存在長距離輸電線路的站點(diǎn)，充電功率的影響較大。對(duì)這些站點(diǎn)進(jìn)行短路電流計(jì)算時(shí)，避免出現(xiàn)因未計(jì)并聯(lián)電容或充電功率的影響導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏于保守，從而導(dǎo)致實(shí)施限流措施的資源浪費(fèi)情況。

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Research on Influence of Shunt Capacitor and Charging Power in Short-circuit Calculation

LONG Fei1, ZHANG Xuan1, LIN Jianxi1, KANG Liyi2, GE Mengxin2, FAN Youping2

(1. Electric Power Dispatching Control Center of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510600, China; 2.School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan, Hubei 430072, China)

Abstract：This paper analyzes influence of shunt compensation capacitor and charging power of the line on calculation result of short-circuit current in theory and selects calculation model and data of maximum operational mode in summaer in some regional power grid for simulating analysis. Simulation results indicate that calculation result of short-circuit current may be relatively small when considering influence of shunt capacitor and charging power which verifies changing laws from theoretical analysis. It also analyzes and finds out power plants and stations with larger deviations of calculation results and reasons for deviations. Finally, it suggests electric power departments to pay attention to coordination and cooperation when carrying out power grid planning and operation so as to avoid short-circuit current exceed the standard in practical operation when making calculation on short-circuit current without considering shunt capacitor and charging power and promote integrating degree of theoretical calculation value and actual operational value.

Key words：short-circuit current; calculation model; charging power; shunt capacitor; power grid planning

收稿日期：2015-11-24修回日期：2016-04-19

基金項(xiàng)目：廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目(036000QQ00140003)

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.06.011

中圖分類號(hào)：TM713

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-290X(2016)06-0061-06

作者簡介：

龍?chǎng)?1985)，女，湖南長沙人。工程師，工學(xué)碩士，主要從事電力調(diào)度系統(tǒng)運(yùn)行方面的工作。

張軒(1983)，男，河北石家莊人。高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，主要從事電力系統(tǒng)運(yùn)行控制及管理工作。

林建熙(1987)，男，廣東陸豐人。工程師，工學(xué)碩士，主要從事電力系統(tǒng)運(yùn)行分析與控制工作。

(編輯霍鵬)