张岐 高文强
内蒙古电力勘测设计院有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010020
摘要：近些年，随着负荷量的快速增长，电网逐渐接近输送功率极限运行，一些学者注意到负荷电流对短路电流计算产生的影响，并做了一定的研究。研究感应电动机负荷对输电网短路电流水平的影响提出了考虑适应感应电动机电磁暂态过程的系统短路电流的修正方法，并分析了负荷对于单相短路电流的影响。
关键词：负荷；短路电流；
短路电流计算是电力系统分析的重要内容之一，是电力系统规划设计、继电保护整定计算、电气设备选择校验等工作的基础。短路电流的精确性将直接影响整个电网的安全运行。
一、概述
随着我国制造业的快速发展，感应电动机被广泛应用于冶金、机械制造、矿山等行业，设备的设计与应用逐渐向大型化发展。系统短路时，大容量感应电动机向短路点提供短路电流的现象越来越受到关注。根据不同的应用领域和分析计算目的，电力工作者已经提出了多种感应电动机模型。比较详细的模型是电磁暂态模型，等值电路其中考虑了定子绕组、转子绕组的电磁暂态特性，以及转子的机械暂态特性，当经过坐标变换，在同一坐标系统中研究电动机时，定子绕组和转子绕组无相对运动，其间的电磁关系犹如变压器。可以认为感应电动机定子绕组端点三相短路时的等值电路与电动机起动时的等值电路相同，电路图电动机起动初瞬接入电网，转子尚未开始转动，转子绕组是短接的，其起动电流就是短路电流，起动电抗就是转子绕组短接时的定子侧等值电抗。因此，求解定子绕组端点三相短路电动机的解析表达式，可近似认为求解电动机的起动电流。对于电动机反馈短路电流而言，较为关注其冲击电流、周期分量初值电流、以及直流分量电流。电动机反馈的短路电流与次暂态电抗 及衰减时间常数密切相关。基于上述表达式，通过分析表明，电动机反馈短路电流呈如下特性一般而言，电动机反馈短路电流衰减速度随容量增大而减慢。为降低感应电动机的空载电流和提高电机的功率，气隙应尽可能小。对于中小型电动机而言，气隙一般为0.2~1.5 mm，小于发电机的气隙。在电动机反馈短路电流的计算中，基本假设忽略磁路饱和的影响，这样的假设对于中小型电动机而言是符合实际情况的。并非所有电动机均提供短路电流。感应电动机作为主要的电力系统负荷，其使用功能各不相同，接入系统的电压等级也有所不同。对于大型工业负荷，电动机多接入10 kV；对于商业、民用负荷，电动机多接入400 V。当系统中主网的某条线路发生三相短路故障后，配电网电压的变化要经具体计算才可求得。一般而言，当配电网距主网故障点较远时，其电压变化较小。而配网中的电动机负荷是否均成为附加电源向短路点反馈短路电流。当短路瞬间，如马达与短路点之间的电气距离较近,电动机的电流的方向发生变化，电动机则处于发电机状态，可视为附加电源，向短路点反馈短路电流；反之，如马达与短路点之间的电气距离较远,仍处于电动机状态，不向系统反馈短路电流。
二、负荷对短路电流的影响
1.短路电流影响系数表示单位装机容量的某电源节点( 集群) 对故障点提供的短路电流，该值越大表示单位装机容量电源对相应站点的短路电流影响程度越大。对于固定的电源装机与转移阻抗的倒数之和成正比，即与各电源至短路点转移阻抗的并联等值总阻抗成反比。区域电源集群对站点短路电流的影响利用电源短路电流影响系数，研究电网不同区域电源集群对站点短路电流的影响。电源按其接入点的地理位置决定所属区域。典型站点的短路电流来源分布分析表明: 站点所属区域的电源是其短路电流的主要来源，如距离较远的区域之间相互提供的短路电流相对较小，不同区域间电源的短路电流影响系数站点所在分区电源的短路电流影响系数明显高于其余分区，即与远区电源相比，近区电源装机规模的增加会导致更大的短路电流增幅。
2.负荷中心支撑电源对站点短路电流的影响区域电源集群对站点短路电流的影响表明近区电源装机规模的增加会导致更大的短路电流增幅。分析接入负荷中心的220 kV 支撑性电源对站点短路电流的影响。220 kV 支撑电源对所接入500 kV 供电区站点的短路电流影响系数在1. 53 ～ 3. 87 kA /GW，均值约2. 75 kA /GW; 对相邻500 kV 供电区站点的短路电流影响系数在1. 35 ～ 3. 17 kA /GW，均值约2. 06kA /GW。短路电流影响系数大小的差异主要受220 kV网络拓扑结构、周边220 kV 电源分布以及所接入500 kV 站点的变压器阻抗等因素影响。从平均意义来讲，负荷中心每新增1 GW 的支撑电源，将使得其周边500 kV 站点短路电流提高2 ～ 3 kA。进一步分析负荷中心电源对站点短路电流可能的影响，多负荷对系统短路电压电流的影响多负荷的快速补偿短路电流计算方法与精确的补偿计算方法差别很小，而本方法不需要重新修改阻抗矩阵，大大减少了计算时间，更简单直接地给出多个负荷对某节点电压以及某条支路电流的影响。随着系统总负荷水平的不断增加，即负荷的接入不断增加，及负荷前后电压差幅值基本与负荷节点互阻抗成正比关系，计及负荷前后电流幅值与电流变化量指标成正比关系，可以利用电压、电流变化量指标对负荷按照影响程度进行筛选，在计算短路电流时，适当的考虑部分重要的负荷计及负荷与不计及负荷的节点电压差异不断增大，节点差别已经达到了11%以上；计及负荷与不计及负荷的支路电流差异也不断增大，部分支路已经达到了两倍左右。因而有必要将在短路计算时，考虑负荷的影响。基于上述结论，在进行短路电流计算时，可以利用本文提出的电压、电流变化量指标，对各个节点处的负荷进行影响性评估，按照负荷影响程度与重要性进行排列，并依据自身划定的标准，适当取舍负荷后，再利用本文提出的计及多负荷的快速补偿短路电流计算方法进行短路电流计算，可大大减少计算时间。
三、控制短路电流的相关建议
规模将继续增大，全社会最高用电负荷远景可达180 GW，电源整体装机规模必然随着电力需求的发展而增大。从短路电流来源分析及影响因素研究来看，控制电网短路电流就必须控制电源节点为此提出短路电流控制措施建议如下:1) 以完善内外双环网为核心的500 kV 主网架发展模式难以适应电力市场的长远发展，短路电流问题的解决必须从根本上调整电网主网架发展技术路线，通过网架结构的优化调整，增大某一区域电源集群对另一区域站点的转移阻抗，达到控制电网短路电流的目的。2) 短路电流偏高的500 kV 站点主要为内外环联络站点、区外送电通道落点、区内大型电源接入点。在具体网架规划设计中，应明确不同站点功能定位，避免单个站点同时受多个因素共同影响造成短路电流控制困难。3) 负荷中心建设一定数量的支撑电源有利于保证电网安全稳定运行，但建设过于密集将不利于电网短路电流的控制。短路电流裕度应作为电网可持续发展的重要资源，在电源布局中予以考虑。4) 大力发展分布式能源，降低单机大容量、高电压等级接入机组占系统装机比重，均衡不同电压等级短路电流容量。
结束语：我国将形成世界上覆盖面积最大、电压等级最高、装机容量最大的电网。短路电流超标问题日益突出，为进一步推进短路电流计算标准化工作，建议如下：基于本文的研究结论，进一步规范短路电流计算模型的选取，完善相关标准内容；深入研究风电机组对电力系统短路电流水平的影响，补充相关标准内容。
参考文献：
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