港口供电系统短路电流计算实用方法及工程应用



港口供电系统短路电流计算实用方法及工程应用

刘庆国 杨承志

交通运输部水运科学研究院

摘 要：在分析电力系统短路电流计算方法的基础上，推导了港口供电系统短路电流计算实用方法，结合港口电气系统工程特点，提出了变压器高低压侧、设备进线端等关键位置的短路电流计算步骤和算式，并通过实际工程对该实用方法进行了工程验证。

关键词：短路电流； 计算方法； 系统容量； 短路阻抗

1 引言

港口供电系统绝缘遭到破坏后会形成低阻抗通路，短路电流可达几十安到数千安，可造成巨大危害。短路点导体间产生较大的机械应力，破坏导体和支架的机械强度，严重时会造成电网损坏、电网停电等重大事故。

本文在总结港口电气工程设计经验基础上，推导了港口供电系统短路电流计算实用方法，结合港口电气系统工程特点，提出了变压器高低压侧、设备进线端等关键位置的短路电流计算步骤和算式，可快速、准确、简捷地计算出故障点短路电流。

2 供电系统常用短路电流计算方法

目前国内短路电流计算主要使用等效电压源法和实用计算法。

等效电压源法技术原理基于IEC 60909标准技术，是当前国际上广泛采用的短路电流计算方法，其计算结果相对安全，适用于电路远端短路和近端短路，但该方法计算量大，且前期技术参数需求较多，一般不能满足工程设计需要。

实用计算法技术原理基于前苏联短路电流计算技术，其根据国产同步发电机参数和容量配置，用概率统计方法，制定了短路周期分量运算曲线，计算过程较为简便，是国内电气工程短路电流计算的重要方法，已制定《火力发电厂厂用电设计技术规程》(DL/T 5153-2014)、《导体和电器选择设计技术规定》(DL/T 5222-2005)、《水电工程三相交流系统短路电流计算导则》(NB/T 35043-2014)等电力、能源行业设计标准，但该计算方法缺乏理论基础，是工程实践经验总结。

3 港口供电系统短路电流计算实用方法

3.1 港口供电系统特点

港口供电系统主要由地区电力网、港区总降压变电所、港区配电线路、前沿变电所、高低压配电系统等部分构成，一般均从地区电力网实现电能输入，通过降压变电站降低输送电压，由港区配电线路将电力输配到各港区变电所，再经高低压配电系统把电力传输到各系统及设备端口，为终端用电设备提供电力供给。对国内大部分港口而言，电力自110 kV或35 kV地区高压电力网引入港区总降压变电所，通过降压设备将其降低到10 kV或6 kV，然后分配至港区前沿变电所，根据用途及类别，通过高低压配电系统把电力传输到6 kV、0.69 kV、0.4 kV等电气系统及电气设备。

港口供电系统简易馈电网络见图1。图中K1点为变压器低压侧短路时高压侧短路点(高压短路点)，K2点为变压器低压侧短路点(低压短路点)，K3点为设备进线端三相短路/单相短路时点(末端用电设备短路点)。

图1 港口供电系统馈电网络简图

根据《工业与民用供配电设计手册》的相关内容，在供电系统设计前，设计部门需要业主或供电部门提供本工程总变电站的最大和最小运行方式下的短路数据、中性点接地方式、电网单相接电容电流值、继电保护方式等技术初始资料[1]。由于各种主客观原因，设计部门无法取得相关数据，为了工程安全、可靠，电气技术人员致力于短路电流计算方法的研究，在缺乏相关数据的前提下，研究并推导了短路电流计算步骤和算式，在计算的准确性、参数的简化性、工程的实用性等方面达到了最佳平衡点。

3.2 高压短路点计算步骤(K1点)

变压器的阻抗电压是在额定频率和参考温度下，当变压器二次绕组短路(稳态)，一次绕组流通额定电流而施加的电压，通常以额定电压的百分数表示：

Uz=×100=×100%

(1)

式中，Uz为阻抗电压，kV；U1n为变压器高压侧额定电压，kV；ZK为变压器总阻抗，Ω。

由变压器的等值电路(见图2)可知，低压侧短路后的阻抗折算到高压侧，与高压侧阻抗相加后得总阻抗ZK=Rk+jXk。励磁电流I0在原边漏阻抗Z1上产生的压降很小，因此在计算变压器电流时通常忽略励磁电流。

ZK=×=×

(2)

(3)

XK=

(4)

式中，PK为变压器的空载损耗，kW；Un为变压器额定电压，kV；RK为变压器电阻，Ω；XK为变压器电抗，；ST为变压器的额定容量，MVA。

图2 变压器等值电路图

对于港口供电系统来说，单个变压器容量远小于系统短路容量，实际工程中可认为当变压器低压侧短路时，高压侧系统的短路容量为无穷大。根据标幺值计算方法，可以得出变压器低压侧短路时标幺值的计算式[2]：

XT=×

(5)

Xs=

(6)

X∑=XT+XS

(7)

Sd=×Sj=×Sj=×ST

(8)

式中，Sj为基准容量，MVA；ST为变压器的额定容量，MVA；S″为系统短路容量，MVA；XT为变压器标幺值；XS为系统标幺值。

由式(8)及三相电流计算公式I=，可推导出变压器高压侧短路电流计算式：

I1d=×

(9)

式中，I1d为变压器高压侧短路电流初始值，kA；I1T为变压器高压侧额定电流，kA；ST为变压器的额定容量，kVA。

3.3 低压短路点计算步骤(K2点)

由式(8)及三相电流计算公式I=，可推导出变压器低压侧短路电流计算式：

I2d=×

(10)

式中，I2d为变压器低压侧短路电流初始值，kA；I1T为变压器高压侧额定电流，kA；ST为变压器的额定容量，kVA；U2n为变压器低压侧额定电压，kV。

3.4 末端用电设备短路点计算步骤(K3点)

3.4.1 进线端三相短路

为了保证港口供电可靠性及负荷分配合理性，港口变电站的主接线方式一般采用单母线分段的方式，馈线采用放射式。

当设备采用低压供电、进线端三相短路时，采用有名制计算短路电流初始值，计算式如下所示：

Id==

(11)

R∑=RS+RT+Rm+RL

(12)

X∑=XS+XT+Xm+XL

(13)

式中，Un为标称电压，V,设计手册规定220 V/380 V网络电压取值为380 V；c为电压系数，计算三相电流时取标称电压的1.05；Z∑、R∑、X∑分别为短路电路总阻抗、总电阻、总电抗，mΩ；RS、XS为变压器高压侧系统的电阻、电抗(此处均取0)，mΩ；RT、XT为变压器电阻、电抗，mΩ；Rm、Xm为变压器低压侧母线段电阻、电抗，mΩ；RL、XL为配电线路电阻、电抗，mΩ；Id为三相短路电流初始值，kA。

3.4.2 进线端单相短路

当设备采用低压供电、进线端单相短路时，采用有名制计算短路电流初始值，计算式如下所示：

(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为标称电压，V，设计手册规定220 V/380 V网络电压取值为380 V；Z∑php、R∑php、X∑php分别为短路电路相保总阻抗、相保总电阻、相保总电抗，mΩ；RSphp、XSphp为变压器高压侧系统的相保电阻、相保电抗，mΩ；RTphp、XTphp为变压器相保电阻、相保电抗，mΩ；Rmphp、Xmphp为变压器低压侧母线段相保电阻、相保电抗，mΩ；RLphp、XLphp为配电线路相保电阻、相保电抗，mΩ；为单相短路电流初始值，kA；Rph、R(0)ph、X(0)ph分别为相线电阻、相线零序电阻、相线零序电抗，mΩ；Rp，R(0)p，X(0)p分别为保护线电阻、保护线零序电阻、保护线零序电抗，mΩ。

4 工程应用实例

我国北方某港在某小变电站的主接线采用双路进线，单母线分段方式，主要为4套皮带机、8个转运站提供约1 000 kVA的电力供给，主接线方式见图3。

图3 主接线系统图

根据负荷计算，变压器的额定容量为ST =1 000 kVA，U1N/U2N=10/0.4 kV，UZ=6%。

由于业主无法提供短路电流计算所需的相关技术参数，现假定变压器低压侧出现三相短路时，变压器高压侧三相短路点(高压短路点K1)、变压器低压侧三相短路点(低压短路点K2)根据公式(9)、公式(10),计算结果为：K1=0.916 kA，K2=24.056 kA。

采用供电电缆YJV22-0.6/1-(3×70+1×35)，当长度为167 m、K3点发生三相短路时，设备进线端三相短路时点(末端用电设备短路点K3)，根据公式(11)，三相短路计算结果为：K3=3.88 kA。

当K3点发生单相短路时，，设备进线端单相短路时点(末端用电设备短路点K3)，根据公式(14)，单相短路计算结果为：K31=1.32 kA。

5 结语

根据计算结果，项目组开展了后续相关开关设备选择、继电保护及参数整定等设计工作，并将研究计算数据投入到实际工程应用中。经多年运行和实际验证，本方法的计算数据满足实际工程应用需要，达到了工程在缺少原始数据的前提下的安全运行目标。

参 考 文 献：

[1] 中国航空工业规划设计研究院组编工业与民用配电设计手册(第四版)[M].北京：中国电力出版社,2016.

[2] 王振声,王玉卿.35～6/0.4 kV配变电系统短路电流计算实用手册[M].北京：中国电力出版社,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