关于基于IEC609098的南方电网短路电流计算方法分析及优化的研究

作者：张毅  

  短路电流超标已成为负荷中心电网一个关键并亟待解决的现实问题。短路电流计算作为短路电流超标问题的有效研究工具，是电网解决短路电流超标问题的分析基础。目前，国内各电网公司采用的短路电流计算方法并不一致，不同的方法（如开机方式、电动机比例等）都会对计算结果产生差异，工程人员如何选取适宜的短路电流计算方法，从而得到一个兼顾精确和保守的计算结果，是短路电流超标问题严重的电网十分关注的。实测对比表明，在现有的短路电流计算方法下南方电网短路电流计算结果偏乐观，这给电网的运行方式安排带来困难。

    本文基于短路电流计算最新版的IEC 60909国际标准和GB/T 15544国标，对比南方电网短路电流计算方法与国内外短路电流计算方法之间的差异，并以南方电网2013年丰大方式为基础分析了短路电流计算方法中几个重要因素对短路电流计算结果的影响，结合精度要求、保守考虑、设备能力等工程实用要求提出了南方电网短路电流计算方法的改进建议。

1  短路电流计算的基本原理及方法

    图1是一条典型的近端短路时的短路电流变化曲线，可以看出短路电流包含了交流分量和直流分量。短路电流计算的主要目的之一是计算交流分量的初始值，从而校核断路器的故障开断能力。目前，短路电流交流分量的计算主要采用等效电压源法（IEC TR 60909标准、南方电网标准），另外有运算曲线法、暂态稳定计算法等。

1.1  等效电压源法

    等效电压源法是应用最为广泛的短路电流计算方法，其基本原理如图2所示，其计算方法可以简述为短路电流Ik等于短路点初始电压UN除以短路点的系统阻抗Zk，C为电压系数，具体如式(1)所示。

从式(1)可以看出，短路电流的计算结果取决于2个值，即短路点初始电压和系统阻抗。短路电流计算方法的主要任务就是定义如何设定初始电压和考虑系统阻抗，从而得到一个兼顾计算精度和保守性的短路电流计算结果。

1.2  其他方法

    运算曲线法是等效电压源法推广之前使用较多的一种短路电流计算方法，其基本原理是通过对网络进行化简，得到各发电机内电势和短路点的等效计算阻抗，由计算电抗根据各发电机的运算曲线分别查得各发电机的短路电流，各短路电流之和即为短路点的短路电流。此方法计算步骤繁琐，精度较低，修正困难，但计算量相对较少。因此，在计算机性能相对还不够发达的二十世纪七八十年代曾得到大量应用。

    暂态稳定计算法是利用暂态稳定程序来计算短路电流的一种方法，其计算原理类似于等效电压源法．两者主要的不同是：(1)暂态稳定计算法必须基于一个有解潮流的计算结果，等效电压源法则不需要：(2)暂态稳定计算法考虑了更为详细的动态元件模型，如发电机、交流电动机、直流输电等。目前，暂态稳定计算法只是作为短路电流计算中等效电压源法的一个补充，在兼顾计算精度和保守性的短路电流计算中，是否需要考虑如此详尽的动态元件模型目前尚无定论。

2  lEC 60909与南方电网短路电流计算方法分析及对比

2.1  IEC 60909与GB/T 15544

    IEC 60909是国际电工委员会(IEC)制定的短路电流计算国际标准（最新的版本IEC  60909 -0：2001《三相交流系统短路电流计算第0部分：电流计算》），其主要作用是在工程可接受的精度下．建立一个实用并简洁的短路电流通用求解过程。中国基于2001版IEC 60909,也颁布了与之等效的GB/T 15544.1-2013《三相交流系统短路电流计算第1部分：电流计算》。

    IEC 60909与GB/T 15544共有5部分，主要包含3方面的内容：(1)短路电流的特性、计算方法等，主要内容是计算假设、假设方法、最大短路电流和最小短路电流；(2)电气设备的短路阻抗，主要内容是馈电网络、变压器、架空线和电缆、限流电抗器、同步电机、发电机一变压器组、异步电动机、静止变频驱动的电动机和电容器与非旋转负载的短路阻抗；(3)短路电流计算，主要内容是对称短路电流初始值、短路电流峰值、对称开断电流、暂态短路电流、异步电动机机端短路和短路电流的热效应。

2.2南方电网短路电流计算方法与国内外方法的对比

    目前，国内短路问题突出的地区主要是南方电网的广东地区、华东电网的长三角地区、华北电网的京津唐地区以及华中电网的江陵地区  这些地区的电力系统工作者对短路电流计算的结果也尤为关注。但在实际短路电流工程计算中．这些地区所属的电网公司基于自身情况并没有完全采用2013年修订的国标GB/T 15544.而是使用了不同的计算方法。表l给出了南方电网短路电流计算方法与国内外其他方法的主要内容对比

    基于南方电网短路电流计算方法，表2对比了近年来南方电网几次500 kV短路故障中短路电流实测值与计算值的差异  表2显示，计算值相比实测值偏小1~2 kA。这说明目前南方电网短路电流计算方法仍稍显乐观。

3短路电流计算的主要影响因素分析

    从式（1）和表1可以看出，短路电流计算方法上的差异主要体现在短路前初始电压和短路点系统阻抗如何考虑两大方面。短路点初始电压取决于如何确定电压系数值，短路点系统阻抗则取决于开机方式、静止元件和电动机等诸多因素。本节以南方电网2013年丰大方式为基础，分析目前短路电流计算方法中主要的因素（电压系数、开机方式、静止元件和电动机）对短路电流计算结果的影响（以下分析均以三相短路电流为例）。

3.1  开机方式对短路电流的影响分析

    发电机是电网中提供短路电流的主要设备。若电网中开机越多，系统阻抗Zk越小，短路电流越大，特别是开机对机组近区的短路电流提升明显。目前，基于保守原则，南方电网短路电流计算中采用全开机方式。表3对比了南方电网部分500 kV变电站在正常开机和全开机方式下的短路电流计算结果。

    从表3可以看出，全开机方式下各站的短路电流都有增长，平均增长率为2%。各站点短路电流的实际增长率与平均增长率相比波动明显．总体并没有表现出一个平均的变化趋势。离新开启机组较近的站点短路电流增长较快，如博罗、横沥；附近没有新开机组的站点短路电流则变化较小，如鹏城、宝安。

3.2  电压系数对短路电流的影响分析

    从式f1）可以看出，电压系数越大表示短路点的初始电压越高，短路电流则越大。目前，南方电网的电压系数取1.08．而IEC 60909和GB/T15544推荐取1.10。表4对比南方电网部分500 kV变电站在电压系数取1.08和1.10下的短路电流计算结果。

    表4显示．若电压系数采用新国标建议取

1.10．则500 kV各站的短路电流增长1.00 kA左右。

3.3静止元件对短路电流的影响分析

    静止元件主要包括ZIP负荷（恒阻抗、恒电流、恒功率负荷）、无功补偿、线路充电功率等。它们通过改变网架结构，起到分流效果，从而间接地影响短路电流大小，在不同的计算方法中对它们的考虑也不同。表5对比了南方电网部分500 kV变电站在不同静止元件考虑条件下的短路电流计算结果。

    表5显示，ZIP负荷、无功补偿以及线路充电功率都会对短路电流结果产生影响。相比不考虑任何静止元件的短路电流计算结果，考虑ZIP负荷会使计算结果偏大：考虑容性无功补偿会使得计算结果偏小，考虑感性无功补偿则相反；考虑线路充电功率会使短路电流的计算结果偏小；同时考虑3种静止元件会使计算结果略微偏大，基本在1.00 kA左右。

3.4  电动机对短路电流的影响分析

3.4.1  考虑电动机后短路电流计算结果对比

    目前，高压电网中是否考虑电动机对短路电流的影响仍存在争议。赞成者认为，电动机中存在内电势，可以对外提供短路电流；反对者认为，电动机主要存在配网，与主网阻抗较大且电流衰减较快．在主网中考虑其对短路电流的影响会使计算结果过于保守。从表1看出，目前的国内短路电流在运行方式的工程计算中基本都不考虑电动机的影响。

    基于南方电网2013年丰大方式（广东全开机）和工程中现有电动机模型，表6对比了南方电网在考虑不同电动机比例下的短路电流计算结果。

    在考虑电动机的情况下，各500 kV变电站短路电流有明显提升，且短路电流随电动机比例增长而显著提高，接近正比例关系。同时，各站考虑电动机后的短路电流增长率基本在平均增长率附近波动，变化幅值不大，表现出一种整体、平均的变化趋势。

3.4.2原因分析

    从以上分析可以看出，采用全开机方式、考虑静止元件和考虑电动机都会增大短路电流计算结果．都适用于保守原则。目前的南方电网短路电流计算考虑了全开机方式和静止元件，但是没有考虑电动机。但从表2等多次实测结果对比来看．采用目前南方电网短路电流计算方法后的计算结果仍比实测值偏小1～2 kA。这很有可能是因为没有考虑电动机的因素造成。IEC 60909和GB/T15544以为，电动机可以提供短路电流，但是低压电动机短路电流衰减很快(20～40 ms衰减90%以上)，高压电动机衰减较慢(20～40 ms衰减10~20c7e)，在主网的短路电流计算中建议考虑6 kV以上的高压电动机，但对如何考虑聚合后的电动机并没有给出具体的建议。本节针对电动机对短路电流计算结果的影响做进一步分析（3.4.2的公式推导均取标么值，电抗标么值均取同一基准容量）。

    表6表明，随着计算中电动机比例的增长，各500 kV变电站短路电流基本成比例增长。若不考虑电动机．500 kV站的系统阻抗主要由发电机构成，其等效电路可表示为图3，其短路电流可表示为

    若考虑电动机．500 kV的系统阻抗则由发电机和电动机组成，其等效电路可表示为图4．其短路电流可表示为

    目前在国内大电网仿真数据中．聚合后的电动机暂态电抗X’（含配网等值阻抗）一般取0.28~0.32．而发电机的次暂态电抗Xd”一般取0.15～0.19，因此可得到：

将式(4)带人式(3)可得：

    因此，可认为聚合后电动机形成的系统阻抗约为同容量发电机形成的系统阻抗的2倍．那么聚合电动机对500 kV三相短路电流的贡献大致相当于同容量发电机三相短路电流的1/2。如表6所示，负荷考虑5%的电动机，那么短路电流增加2.27%左右。

    对于单相短路电流．由于高压与低压零序网络之间的隔离，电动机的引入无法改变高压侧的系统零序阻抗，故其对短路电流的影响会小于三相短路电流。基于上述相同的分析方法和工程参数同理可得：电动机对500 kV单相短路电流的贡献大致相当于同容量发电机提供单相短路电流的1/3。

    南方电网（尤其是广东地区）的电动机比例接近或超过50%（包括中低压电动机）。

以上分析表明，如果按照此比例在短路电流计算中考虑电动机的影响会使计算结果过于保守，使得为抑制短路电流而付出的工程代价过于高昂，这显然是不合适的。因此，在短路电流计算中如何考虑电动机的影响仍需开展进一步的工作。

4南方电网短路电流计算方法改进建议

    短路电流计算的对象是电网中可能出现的最大短路电流值，这是一个需要同时考虑计算精度和保守性的矛盾问题。同时，从工程适用性上亦希望计算时能够尽量简化考虑条件，以减少分析工作量。因此，基于以上的影响因素分析、与国标统一性及工程实用性等综合考虑，南方电网的短路电流计算现有方法可进行以下优化：

    (1)采用全开机方式，以适用于保守原则且减小方式安排的影响：

    (2)短路电流整体评估时可采用电压系数取为1.10．同时不考虑静止元件。这样既能保证现有计算精度，同时能够避免负荷变化、方式调整对短路电流计算结果的影响，减少分析人员工作量．计算人员亦可根据实际需要选取电压系数取为1.08且考虑静止元件的条件。

    (3)目前短路电流计算方法中暂不考虑电动机对短路电流的影响。目前南方电网的负荷建模中电动机比例接近或超过50%,直接用于短路电流计算结果过于保守，这是不合适的。

(4)考虑到短路电流计算结果与实测结果的对比仍偏乐观．计算中对开关的遮断容量考虑2 kA的安全裕度，以兼容计算精度和保守性。

5摘要：随着电网负荷的持续增长和网架结构的不断增强，短路电流超标问题已成为影响南方电网安全运行的关键因素。实测对比表明，在现有的短路电流计算方法下南方电网短路电流计算结果偏乐观，这给电网的运行方式安排带来困难。基于最新版的IEC 60909和CB/T 15544短路电流计算标准，对比南方电网短路，电流计算方法与国内外短路电流计算方法之间的差异，并以南方电网2013年丰大方式为基础分析了短路电流计算方法中几个重要因素对短路电流计算结果的影响，结合精度要求、保守原则、设备能力等工程实用要求提出了南方电网短路电流计算方法的改进建议。