董洪穩(wěn)

（海洋石油工程股份有限公司）

0 引言

隨著我國國際影響力和工程建設技術實力不斷提高，國內工程和設計公司在越來越多的大型國際工程中標、落地。工程項目電力系統的短路電流計算是電氣設計和運行中的重要環(huán)節(jié)，利用網絡元件的電磁暫態(tài)模型進行短路電流計算，方法復雜且計算量大［1］。目前國內工程設計短路電流的計算標準或方法主要有IEC標準［2］和傳統實用計算法 （運算曲線法）［3］。分析兩種算法概念、電流值計算方法及結果的差異，對于短路電流計算在國際工程上的應用有參考及指導意義。

1 兩種短路電流計算方法介紹

1.1 IEC標準計算法

IEC60909標準計算法目前在國際上廣泛應用，國內已在獨資、合資項目和對外工程設計中使用。IEC標準計算采用等效電壓源法，網絡短路點用一個等效電壓源代替，該電壓源為網絡的唯一電壓源［4］，對于遠端和近端短路均可適用，在短路點處標稱電壓Un前加了一個電壓系數C，它是考慮到電壓的變化，不計設備與線路電容、旋轉電機的次暫態(tài)特性變化等因素。其他電源，如同步發(fā)電機、同步電動機、異步電動機和饋電網絡的電勢等都視為0，并用自身內阻抗代替。

電力系統電源，所有旋轉的電機 （發(fā)電機、同步電動機、異步電動機等），短路時可瞬時逆變運行的靜止換流器裝置等均作為電源處理，即作為網絡元件，對穩(wěn)態(tài)短路電流，則同步電動機、異步電動機及靜止換流器無影響，即不作為網絡元件。

1.2 傳統實用計算法

實用短路電流計算法是建立在國產同步發(fā)電機參數和容量配置的基礎上，針對我國的電機參數有較強的實用性，用概率統計方法，制訂了短路電流周期分量運算曲線，計算過程簡便，廣泛應用于國內工程項目設計。應用實用法計算電力系統進行近端短路電流時，用各發(fā)電機的X″d作為其等值電抗，網絡中負荷不計，進行等值網絡化簡，得到只含有發(fā)電機電動勢節(jié)點和短路點的簡化網絡，計算出各電源對短路點間的轉移阻抗。利用計算電抗查運算曲線求得各電源到短路點的短路電流標幺值。短路點的總電流為各發(fā)電機電源對短路點的短路電流標幺值換算得到的有名值之和。

2 IEC標準與實用計算法的短路電流計算比較

通過在近端短路、遠端短路，故障前電壓、元件阻抗、結構區(qū)分等方面以及短路電流值計算方法上比較兩種短路電流計算。

對于IEC標準計算法，至少有一臺同步電機供給短路點的短路電流初始值超過這臺發(fā)電機額定電流的2倍，或電動機反饋到短路點電流值超過不接電動機時該點的短路電流初始值5%時，對于實用算法計算用電抗Xc＜3.45時，認為近端短路，反之則認為遠端短路。

2.1 近端短路對稱短路電流初始值I″k計算

2.1.1 IEC標準算法

三相交流系統短路電流的大小不但取決于網絡結構，還與短路前系統的運行狀態(tài)密切相關。IEC標準由計算公式：

來計算對稱短路電流初始值。

系統發(fā)生短路時，發(fā)電機總有一個暫態(tài)過程，尤其靠近發(fā)電機端短路時，短路瞬間發(fā)電機有較大的次暫態(tài)電勢，不應忽視。IEC算法雖然用了一個等效電壓源但為此引入了阻抗校正系數K，經校正后的阻抗，與電壓源一起作網絡的穩(wěn)態(tài)電流計算，所推導的結果與利用次暫態(tài)電勢和次暫態(tài)電抗一起作穩(wěn)態(tài)短路電流計算的結果一致。

2.1.2 傳統實用算法

實用算法計算短路阻抗時忽略了電阻，利用計算用電抗Xc，通過查運算曲線來計算對稱短路電流初始值。在0.12≤Xc≤3.45的范圍內，都能查到對應的短路電流標幺值，在此范圍之外時，實用算法未考慮短路瞬間的暫態(tài)變化，缺少了故障分量。當短路發(fā)生在發(fā)電機端時，短路點內無負荷，只包含發(fā)電機本身的故障分量，而運算曲線上對應的電流值是按照50%的負荷處短路，經過了50%的負荷電流，當短路初始時刻，次暫態(tài)電勢起到作用，使得曲線上查得數值偏小［5］。

相對比較，傳統實用算法更加簡便，IEC標準算法計算得到I″k值更加接近理論值，同時避免查曲線時的誤差。

2.2 近端短路對稱短路電流峰值ip計算

2.2.1 IEC標準算法

IEC標準計算三相短路，各饋電支路對短路電流峰值的饋入，均可表示為如下計算公式：

式中計算系數k，由 R／X或 X／R決定，計算公式為：

2.2.2 傳統實用算法

實用算法對稱短路電流峰值可按如下公式計算：

式中Tf為直流分量衰減時間常數，在工程設計中Kp的取值如下：

1）短路發(fā)生在發(fā)電機端時，取Kp＝1.9。

2）短路發(fā)生在發(fā)電廠高壓側母線時取，取Kp＝1.85。

3）短路點遠離發(fā)電廠時，取Kp＝1.8。

由于在短路過程中，各支路的時間常數不同，峰值系數也不同，從兩種方法的計算公式中可以看出，IEC算法用校正后的阻抗比R／X來計算Tf，從而考慮了不同支路的峰值計算系數k，考慮了短路電流周期分量在前半波內衰減的不同程度；而實用算法所有支路峰值系數Kp按上面三種固定情況考慮，計算結果往往偏大。

對比而言，IEC算法有針對性的關注暫態(tài)過程，計算結果更準確，實用算法更便捷。

2.3 遠端短路時對稱短路電流計算

遠端短路時，可認為預期短路電流對稱交流分量的值在短路過程中基本保持不變，電路中阻抗變化不大，可不考慮暫態(tài)過程。對稱短路電流初始值I″k及非周期分量的計算，兩種算法基本一致；在計算對稱短路電流峰值ip時，IEC標準算法考慮了不同支路的時間常數及峰值計算系數，使得結果更加準確。

3 結論

通過比較在近端和遠端短路時，兩種短路電流算法，從計算公式和輸入條件方面，分析了短路電流計算結果差別的原因。IEC算法更加貼近理論值，而傳統實用算法較為簡便?？紤]到國際工程項目市場的前景及IEC標準算法的國際認可度，IEC標準算法將在設計行業(yè)內積極推廣，也將會在更多國際項目中應用。