火力發電廠實用短路電流計算軟件的開發

董彬政 郭國梁 白云霄

（華北電力大學電氣與電子工程學院，北京 102206）

在電力系統和電氣設備的設計和運行中，短路計算是解決一系列技術問題所不可缺少的基本計算；隨著現代電力系統網絡規模的不斷擴大和電網電壓等級的不斷升高，電力系統規劃、運行和控制的復雜性日益增加[1]。在現實情況下，實際條件和系統的安全不允許進行大型的電力科研試驗。因此，電力系統動態仿真已成為電力系統研究、規劃、運行、設計等各個方面不可缺少的工具，特別是電力系統新技術的開發研究、新裝置設計、參數確定更是需要仿真來進行確認[2-4]。計算仿真分析軟件在電力系統的生產和研究中有了越來越廣泛的應用。

1 短路電流算法原理

1.1 短路電流周期分量計算

1）電源點在額定容量下對短路點的計算電抗：

式中，X*表示電源點對短路點的等值轉移電抗標幺值；SN表示電源點的額定容量（MVA）；Sj表示基準容量（MVA）。

根據各電源點到短路點的計算電抗 Xjs查汽輪發電機運算曲線數字表，可得到短路電流周期分量的標幺值I*。

2）短路沖擊電流計算：

式中，Kch表示沖擊系數（一般取 1.85～1.9）； I′表示短路電流t=0時刻有名值。

3）0s短路電流容量計算：

式中，Up表示節點電壓。

4）異步電動機0時刻反饋電流計算：

式中，Kd表示電動機的平均反饋電流系數；Pd表示計及反饋的電動機的額定功率之和。

（η× cos φ）為電動機的平均效率和功率因數乘積，一般取0.8。

5）任意時刻的電機反饋電流計算：

式中，Ta表示時間常數，iddj表示t=0時刻的電機反饋電流

1.2 短路電流非周期分量計算

短路電流的非周期分量計算：

式中，I′表示短路電流 t=0時刻有名值，Ta表示時間常數。

1.3 短路電流熱效應計算

1）短路電流周期分量的熱效應計算：

式中，Qzt表示t時刻由短路電流周期分量產生的熱效應；I′表示t=0時刻的短路瞬時電流有名值；Izt/2表示在t/2時刻短路瞬時電流有名值；Izt表示在t時刻的短路瞬時電流有名值。

2）短路電流的非周期分量的熱效應計算：

式中，I′表示t=0時刻的短路瞬時電流有名值， Ta表示時間常數。

將短路電流總周期分量的熱效應值和總非周期分量的熱效應值求和即可得到短路總電流的熱效應值Qkt。

2 火力發電廠典型接線形式短路計算

2.1 三相短路計算的步驟

1）省去電廠主接線圖中的斷路器、隔離開關、熔斷器等開關器件和電流互感器、電壓互感器、熔斷器等保護器件，得出用于短路計算的電路圖。

2）根據電路圖中所給定設定基準容量 SN，將器件銘牌上的參數求出短路電流計算的原始數據，并轉換為相應的標幺值形式。

3）依據原始數據畫出電廠的短路電流電抗圖，標出合適的短路點。

4）分別求出各個短路點的網絡阻抗轉換圖，計算各支路的基準容量，基準電流和計算電抗。

5）根據求得的計算電抗查“汽輪發電機運算曲線數字表”，得到不同短路點不同時刻各個支路短路電流的周期分量，并計算相應的沖擊電流值、短路容量和短路電流非周期分量值[7]。

6）計算不同短路點不同時刻各個支路短路電流的周期分量和非周期分量熱效應值，并求出總的短路電流熱效應值。

2.2 原始數據輸入

以在建的典型坑口發電廠為例。如圖1所示，這是一座2×600 MW機組以500kV電壓等級接入系統，并考慮留有 2×600MW 機組的擴建余地。根據系統要求，在電廠線路側預留一組并聯電抗器的位置。將電廠主接線中開關及保護設備去掉，得出短路計算電路圖。

根據所得數據，設定電路的基準容量為：Sj=100MVA。

電路元件的標幺值為有名值與基準值之比，計算公式如下：

圖1 火力發電廠短路電流計算主接線圖

由式（9）－（12）計算各電力元件可得表1中各元件的電抗值。

表1 火力發電廠各電力元件在基準容量下的電抗對應表

根據以上原始數據得到短路電流電抗圖如圖 2所示，根據圖2所示的火力發電廠短路電流計算數學模型圖的結構可以看出，一共有6個短路設置點。分別用（D1－D6）表示在圖2中。

表2為添加了1.0%海藻酸鈉、CMC和β-環糊精的玫瑰茄花色苷溶液在 80～100 ℃下的降解動力學參數。由圖6、7、8可知，添加不同穩定劑的三組玫瑰茄花色苷溶液在80、90和100 ℃三個溫度條件下的降解均符合一級動力學方程，推測其降解過程應屬于裂解反應，即花色苷被裂解為糖基和花色素基元兩部分[35]。這與報道文獻中黑米[36]、藍莓[37]花色苷熱降解動力學過程研究結果相吻合。

將火力發電廠網絡轉化為數學模型后，以任意一點為短路點對網絡利用多次的并聯、串聯變換以及星－角等值變換進行化簡，求得各電源點對短路點的轉移阻抗、計算電抗，然后根據各電源點到短路點的計算電抗去查汽輪發電機運算曲線數字表，求得短路電流周期分量的標幺值 I*。然后使用上述式（1）－（9），即可求得短路電流周期分量，短路電流非周期分量和熱效應值。

圖2 火力發電廠短路電流計算等效阻抗圖

3 火力發電廠其他接線形式短路計算

火力發電廠的接線形式并不是固定的，為了增加本軟件的實用性，適應各種常見結構下的火力發電廠的短路電流計算，要求本軟件可以對發電廠結構做出調整。經分析，火力發電廠常見的結構變化有以下幾方面：

1）發電機組臺數；

2）母線出線電壓等級；

3）變壓器繞組類型。

以下分別分析這3種結構的改變對短路計算結果帶來的影響。

3.1 發電機組臺數

在火力發電廠中，發電機臺數的改變直接影響短路電流的大小。根據廠技規短路電流算法，短路點處短路電流的大小即是各個電源點經過等效阻抗后至流至短路點的電流之和，再加上與短路點直接相連的動態負荷的反饋電流。故發電機臺數越多，即電源點數越多，則短路電流越大。對比圖2所示的火力發電廠短路電流計算等效阻抗圖可知，在發電機的臺數改變后，圖2的短路電流計算等效阻抗圖的結構也發生了改變（X2、X3、X4、X5刪去），故需重新計算各電源點到短路點的計算電抗。求得計算電抗后，即可仍按照固定結構火力發電廠的算法來求解各種計算結果。

3.2 母線出線電壓等級

由于發電廠發電機容量和系統容量是通常固定的，根據功率和電壓、電流的關系（P=UI）可知，在容量不變的條件下，母線的電壓等級越高，則短路點處的短路電流越大。然而短路電流大小的改變并不是完全和線路電壓等級成反比的，這是因為還要考慮到動態負荷給短路點的反饋電流帶來的影響。在本設計中，對比對比圖2所示的火力發電廠短路電流計算等效阻抗圖可知，母線電壓等級的改變并不會改變火力發電廠的主接線圖，故它對廠技規短路電流算法沒有影響，只需要按照常見結構火力發電廠的母線的電壓等級來修改界面即可。

3.3 變壓器繞組類型

4 軟件設計

4.1 界面設計及流程圖

火力發電廠短路電流計算軟件主界面如圖3所示。

圖3 火力發電廠短路電流計算軟件主界面

在主界面中，可以設置的選項有：

1）發電廠母線出線電壓等級：500kV，400 kV，220 kV，110 kV，66 kV，35kV。

2）#1，3號廠公變類型：三繞組變壓器，雙繞組變壓器。

3）#2，4號廠公變類型：三繞組變壓器，雙繞組變壓器。

4）發電廠的機組臺數：一臺，兩臺，四臺。

5）對火力發電廠各電力元件的參數進行調整。

在界面上手寫輸入或由數據文件導入數據后即可進行計算，計算結果以窗口的形式簡要地在軟件中直接展現，也可以以報告的形式導出至一個Word文檔中，供以后調用。

火力發電廠短路電流計算軟件的流程圖如圖 4如示。

圖4 火力發電廠短路電流計算軟件流程圖

4.2 計算結果分析

按上述編程思想完成的軟件進行計算，計算生成的短路電流周期分量、非周期分量、熱效應值如圖5（a）、（b）、（c）所示。計算數據以4臺發電機組、#1，3號廠公變為三繞組變壓器、#2，4號廠公變類型為雙繞組變壓器。母線出線電壓等級為550kV的為例計算得到。

圖5中，帶菱形標識的曲線表示由已知的短路電流計算軟件計算出的短路電流曲線，而帶方塊標識的曲線表示由自己編制的軟件，計算出的短路電流曲線。每個短路點的計算值分別表示在 t=0.2s，1.0s，2.0s，4.0s時的周期、非周期短路電流值和熱效應值。

圖5 發電廠短路電流熱效應計算結果比較

由以上計算結果可以得出以下結論：

1）短路電流周期分量隨時間變化衰減至固定值。

2）短路電流非周期分量隨時間的變化衰減為0。

3）熱效應值隨時間的變化而呈加速上升的趨勢。

由上圖可以看出短路電流周期分量、非周期分量、熱效應計算結果均有較好的匹配，兩條曲線幾乎處于重合狀態，自編的軟件和已知軟件計算出的結果相差無幾。由圖6可以看出，計算誤差基本控制在5%以內，最大誤差不超過10%，設計的軟件具有較高的精確度。

圖6 火力發電廠短路電流計算結果誤差曲線

5 結論

考慮到火力發電廠的各種常見結構，建立用于火力發電廠短路電流計算的數學模型。使用 Visual Studio 2005開發環境開發出火力發電廠短路電流計算軟件。該軟件的主界面即為一個可變結構的火力發電廠模型，通過手寫或通過數據文件來導入發電廠各元件參數，計算結果以窗口的形式簡要地在軟件中展現，或者以報告的形式導出至一個數據文檔中，供日后查看使用。經過與專業的短路電流計算軟件作數據比較，短路電流的周期分量、非周期分量、熱效應計算結果均實現了較好的匹配，計算誤差基本控制在5%以內，最大誤差不超過 10%。同時，本軟件具有操作簡便，執行效率高，應用性強的特點，可應用于常用接線形式火力發電廠設計與運行中。

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