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很多学科(例如电磁学),其自身规律并不复杂,数值计算结果由边界条件决定。一旦考虑了边界条件,往往非常复杂。短路电流计算也具有这样的特点,其本身算法是非常简单的。无非是短路一瞬间假定发电机次暂态电势不变,求出电流的周期分量初始值。也就是说,短路计算是电路结构变化问题,不用考虑过渡过程。所以,短路电流计算本质上(在算法上)仍然是稳态分析的范畴。
短路电流计算是电力系统计算中最接近于理论电路课程的,不像潮流计算涉及到反映电力系统设备控制过程的模拟(励磁控制、调速控制、电压调整等);更不像稳定性分析那样需要考虑那么多设备的动态模型。比较有电力系统特色的是对称分量的概念,毕竟三相交流电相对于常见的电路(模拟电路、数字电路等),还是有其特殊性的。(所以发明三相交流电的大发明家特斯拉实在是太厉害了!)怎样由对称分量的概念简化故障点的分析,这大概是短路电流计算中最重要的部分。但是请注意,完全抛弃对称分量的概念,直接用相分量,也是可以进行短路计算的,在处理不对称参数时比较有用,只不过一般的课程里并不讲授。
学完了短路计算的全部课程后,才真正进入很容易让人困惑难解的地方:边界条件是怎么假设的。
首先,最常见的短路计算都是基于潮流结果进行的,也就是说故障导致的变化量加到原先的潮流结果上,得到最终的短路计算结果。基于潮流的短路计算,当然计算模型要与潮流计算尽量一致了,但还是有以下边界的变化:
1)发电机正序、负序电抗要加入正序、负序的网络,并入对地支路。问题就出在这个值是怎么规定的。很多软件选用正序为次暂态电抗,但也有别的选择。至于负序电抗,可以人工输入,也可以在正序电抗乘以一个系数,还有可能由已有的参数估算出来,不同的软件处理方式都可能不同。
2)负荷的考虑,假如把负荷等值为静态负荷,按照很多人的观点,等值正序和负序电抗是一样的。但BPA是把正序负荷电抗乘以一个系数得到负序电抗。当然,如果考虑负荷的电动机成分,则负荷还可以供应一部分短路电流。
3)直流输电等电力电子元件,并不会直接供应短路电流。但是可能有较多的无功补偿设备,在短路电流计算中需要考虑。很多软件完全忽略直流输电的影响,但BPA软件是将直流输电的功率等值成静态负荷。
除了基于潮流的短路电流计算,还有许多场合短路电流是估算的,这是因为规范要求如此,例如继电保护整定,就不能依赖于某个特定的潮流断面,而需要计算结果更有代表性。但目前业界没有统一的短路电流估算的规范,常用的有以下几种:
1)三相交流系统短路电流计算,这个规范与IEC60909国际标准是同步的,我个人觉得该规范是最重要的;
2)电力系统安全稳定计算技术规范,主要用于调度运行的方式专业;
3)220kV~750kV电网继电保护装置运行整定规范,主要用于继电保护整定计算。
每一种规范的边界条件都不同,计算出来的结果也不同。我自己试过,差异还是挺大的。对于工程师来说,进行短路电流计算前,弄清楚边界条件是很重要的,只有边界条件完全一致,计算结果才有互相比对的意义。
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