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user: 4. 计算案例 文章以某水电站的短路故障入地电流计算为例，对电站故障时的入地电流计算方法进行详细介绍。采用国际通用的先进的图形化的电磁暂态计算程序ATP-EMTP进行计算分析。 4.1. 计算条件 对于站内短路情况，水电站的短路电流计算接线示意图见图4所示，其中d1为550 V级母线上的短路点，T1~T4为主变压器，G1~G4为水轮发电机。 图4. 电压、电流线路的位置示意图 4.2. 参数选择 1) 等值电压源 根据《电站接入系统设计复核一次部分》，该水电站500 kV母线侧远期三相短路电流为21.4 kA，单相短路电流为21.7 kA，计算可得到： 系统等值正序阻抗： X s 1 = S n 3 U n I k = 100 3 × 525 × 21.4 = 0.0051 系统等值零序阻抗： X s 0 = S n 3 U n I k × 3 − 2 × X s 1 = 100 3 × 525 × 21.7 × 3 − 2 × 0.0051 = 0.0049 2) 发电机 发电机G 1 ~G 4 的额定电压为20 kV，考虑留有裕度，取1.13系数，即22.6 kV，额定功率375 MW，次暂态电抗 X ″ d = 0.214 ，功率因数为0.9。 3) 变压器 变压器T1~T4额定容量为417 MVA，高压侧额定电压550 kV，低压侧额定电压20 kV，YN/d11联接，空载损耗70 kW，负载损耗277 kW，阻抗电压16%，空载电流百分数0.15%，中性点直接接地。 4) 出线段线路 出线段采取同塔双回架设，架空线路采用LGJ-500 × 4，20℃直流电阻为0.05912 Ω/km，外径为30 mm，平均档距约为600 m。 出线段地线两根型号分别为OPGW-110-1和JLB40-120，20℃直流电阻分别为0.83 Ω/km和0.3606 Ω/km，外径分别为14 mm和15.75 mm。 杆塔接地阻抗取10 Ω。线路直线塔代表塔型号为5A2-ZBKC。 4.3. 输入参数 前面的计算都是在标幺值下进行计算的，而ATP的输入参数为有铭值，因而需要进行转换。 1) 基准电压 各个电压等级分别以其平均额定电压作为基准电压，计算中分别为525 kV、20 kV。 2) 等值电压源模型 水电站的系统接线如图5所示，在水平计算年2030年时，水电站有两回出线，水电站系统侧的等值电压源(包括线路阻抗)为： X S 1 = 0.0051 × 525 2 100 = 14.0569 ( Ω ) (正序) X S 0 = 0.0049 × 525 2 100 = 13.5056 ( Ω ) (零序) 图5. 水电站系统接线示意图 而由出线段线路参数，在模型中进行设置后可以得到线路阻抗为： X L 1 = 1.647 ( Ω ) (正序) X L 0 = 7.945 ( Ω ) (零序) 所以水电站系统侧的等值电压源(不包括线路阻抗)为： X s 1 = 14.0569 − 1.647 = 12.4099 ( Ω ) (正序) X s 0 = 13.5056 − 7.945 = 5.5606 ( Ω ) (零序) 3) 发电机模型 发电机中性点经高阻接地。发电机G 1 ~G 4 ： X G = X ″ d × U b 2 S G = 0.214 × 22.6 2 375 × 0.9 = 0.26233 ( Ω ) 4) 变压器模型 主变压器T 1 ~T 4 均采用ATP中的变压器BCTRAN模型模拟。 5) 高压并联电抗器 母线并联电抗器： X L = U n 2 Q L = 525 2 180 = 1531 ( Ω ) 6) 其它模型 电弧接地阻抗为2 Ω，电站地网等效电阻为0.548 W。 4.4. 计算结果 最大运行方式下，对站内和站外分别发生单相接地故障和两相接地故障进行了计算，计算求取了总短路电流、电站提供的短路电流、避雷线分流和入地短路电流。以下各表中各电流计算结果均为稳态有效值。 1) 站内短路 电站全部设备均投入运行时站内短路时的短路电流计算结果见所示，表中数据均为稳态有效值。计算中电站接地阻抗取0.548 W，杆塔接地阻抗取10 Ω，分单相接地短路和两相接地短路两种故障类型。其中I max 为短路点处的总短路电流，I Z 为电站提供的短路电流，I S 为系统提供的短路电流，I B 1 为“地线–杆塔”接地 系统分走的电流，I D 为入地短路电流。 K f 1 = I B 1 I S = I B 1 I B 1 + I D 为避雷线的分流系数。 由表1中数据知，站内单相短路时的入地短路电流比两相接地短路时略小。当电站接地阻抗取0.548 Ω、杆塔接地阻抗取10 Ω时，水电站发生站内两相接地短路故障时，最大入地短路电流有效值为9.392 kA。 Table 1 Calculation results of short-circuit current when short-circuit in the station (kA) (power station grounding impedance 0.548 Ω 故障类型 I max I Z I S I BS I D K f2 单相接地短路 26.54 7.624 19.11 11.20 8.139 0.579 两相接地短路 30.12 8.504 21.99 13.44 9.392 0.589 表1. 站内短路时短路电流计算结果(kA) (电站接地阻抗0.548 Ω) 2) 站外短路 站外短路可能发生在线路上任何一处，取短路点为站外第15基杆塔处，分别计算单相接地短路和两相接地短路两种故障类型，结果见表2。其中I max 为短路点处的总短路电流，I Z 为电站提供的短路电流， I S 为系统提供的短路电流，I BS 为线路–杆塔接地系统分走的电流，I D 为入地短路电流， K f 2 = I B S I z = I B S I B S + I D 为分流系数。 Table 2 Calculation results of short-circuit current when short-circuit outside the station (kA) (station grounding impedance 0.548 Ω 故障类型 I max I Z I S I BS I D K f2 单相接地短路 25.97 5.118 19.83 2.660 3.101 0.462 两相接地短路 29.20 5.953 23.25 3.138 3.569 0.468 表2. 站外短路时短路电流计算结果(kA) (电站接地阻抗0.548 Ω) 由表2中数据知，站外两相短路时的入地短路电流比单相接地短路时略大。 改变站外短路点的位置，观察其对入地短路电流和分流系数的影响，结果见表3所示。计算中取电站接地阻抗为0.548 Ω，杆塔接地阻抗为10 Ω，短路类型为两相接地短路。 Table 3 The relationship between the ground short-circuit current and the position of the short-circuit point (two-phase short-circuit 故障位置 I max I Z I S I BS I D K f2 N10 27.14 6.236 20.91 4.685 3.207 0.594 N11 27.45 6.191 21.27 4.279 3.347 0.561 N12 27.81 6.140 21.67 3.927 3.450 0.532 N13 28.21 6.083 22.13 3.622 3.518 0.507 N14 28.67 6.019 22.65 3.360 3.556 0.486 N15 29.20 5.953 23.25 3.138 3.569 0.468 N16 29.82 5.888 23.94 2.951 3.562 0.453 N17 30.56 5.832 24.73 2.800 3.546 0.441 N18 31.48 5.798 25.68 2.686 3.531 0.432 N19 32.45 5.772 26.68 2.612 3.520 0.426 N20 33.70 5.757 27.95 2.589 3.511 0.424 表3. 入地短路电流与短路点位置的关系(两相短路) 由表3可以看出，随着短路点离电站距离的增大，站内提供的短路电流逐渐减小，但系统侧提供的短路电流不断增大，入地短路电流呈现先增大后减小的趋势。直至短路发生在站外第15基杆塔时入地短路电流达到最大，最大入地短路电流的稳态有效值为3.569 kA。 3) 最大入地电流 由前文可知，水电站站内电源弱于系统电源，所以站内短路时入地短路电流较大，且站内两相短路时的入地短路电流比单相接地短路时略大。由表2中数据知，当电站接地阻抗取0.548 Ω、杆塔接地阻抗取10 Ω时，水电站最大入地短路电流有效值为9.392 kA，取直流分量的衰减系数为1.08，则考虑暂态效应后入地短路电流10.14 kA。 此外，对电站接地阻抗取1.849 Ω情况下，站内两相短路时的短路电流进行计算，结果见表4。 Table 4 Calculation results of short-circuit current when two-phase short-circuit in the station (kA) (power station grounding impedance 1.849 Ω 故障类型 I max I Z I S I BS I D K f2 两相接地短路 30.08 8.502 22.04 15.95 6.223 0.589 表4. 站内两相短路时短路电流计算结果(kA) (电站接地阻抗1.849 Ω) 由表4中数据知，当电站接地阻抗取1.849 Ω时，水电站发生站内两相接地短路故障时，最大入地短路电流有效值为6.223 kA。取直流分量衰减系数为1.08，可得最大入地短路电流为6.721 kA，此时对应的GPR为12.43 kV。 可以看到利用EMTP-ATP软件计算的分流系数的计算结果与传统公式法中的经验值相近。