ETAP软件短路计算与运算曲线法的分析对比(2014.04.02修改)

黄铮-西南电力设计院

1 引言

短路电流对电力系统运行有重大影响，其计算结果作为电力系统设计重要依据，可以指导：（1）电气主接线比选；（2）选择导体和电器；（3）确定中性点接地方式；（4）计算软导体的短路摇摆；（5）确定分裂导线间隔棒的间距；（6）验算接地装置的接触电压和跨步电压（7）选择继电保护装置和进行整定计算。

准确计算电力网络的短路电流是一项非常繁琐的工作。理论上，如果能提供短路计算所需的准确的原始数据，对短路进行精确地计算是可能的。但是，在工程前期规划设计阶段，系统负荷分布、发电机出力等资料并不是准确可靠，因而精确计算往往存在障碍。

在工程应用中，如果短路电流计算结果偏于保守，有可能造成不必要的投资浪费；若偏于乐观，则将给系统的安全稳定运行埋下灾难性的隐患。本文着重介绍工程应用中常见的两种短路计算方法：运算曲线法和ETAP软件计算法。通过具体算例分析比较，以期能在工程应用中根据需要选择更佳的计算方法。

2 常用计算方法简介

常用的短路电流计算方法有：（1）潮流计算法；（2）等效电压源法；（3）运算曲线法；（4）叠加法等。这些方法广泛应用于手算和计算机软件计算中，以下通过两种常见的短路计算方法来具体比较分析。

在电力系统网络中，以三相短路和单相对地短路为多，所以电力工程设计主要关注三相短路和单相对地短路。三相对称短路电流计算方法的本质是在满足精度要求的前提下，对短路电流波形进行数学模型的拟合，而简单不对称短路（两相短路，单相对地短路和两相对地短路）也可以利用三相短路电流的计算方法获得 [3]。

3 运算曲线法

为简化计算，事先借助于电子计算机研究计算出适合所在电力系统情况的运算曲线，在电力工程设计中采用查取曲线数据的方法，简称运算曲线法。由于运算曲线法极大地减少了计算量，所以国内电力工程设计常采用此法。以下通过实例来分析短路电流运算曲线法。

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1S100MVAUj=UcpX1=X2=0.0151Xo=0.0197220kVK11BST63/35-35MVAUd1-2'=23%6kVK41MT3x260MVAUd=14%22kVK22MT3x260MVAUd=14%22kV1UT63/35-35MVAUd1-2'=21%K32UT63/35-35MVAUd1-2'=21%6kV6kV1G660MVAXd”=0.1935cosF=0.91G660MVAXd”=0.1935cosF=0.9

图1 系统主接线图

表一 运算曲线法短路电流计算结果表 短路点 编 号 K1 K2 K3 K4 短路点 三相短路初平均电压 始电流值 230kV 23kV 6.3kV 6.3kV 28.076 190.296 46.266 44.167 三相短路冲击 电流峰值 73.559 498.576 121.405 116.018

如图1为某火电厂的主接线图，图中给出了发电机1G,2G、主变1MT,2MT、起备变1BST、高厂变1UT、2UT等的参数，根据这些条件利用曲线法对该工程作短路电流计算。在计算三相短路电流时，首先计算获得正序电抗值，然后根据网络变化分别求出每一电源支路的转移电抗和对应电源支路提供给短路点的短路电流分量（近端短路需计周期分量衰减），对各电源支路提供的短路电流有名值求和，就可得短路点的三相短路电流。根据该工程主接线图的特点，分别取短路点K1、K2、K3、K4作计算验证。

表一中列出曲线法计算出的三相短路电流，包括初始三相短路电流值和三相短路冲击电流峰值。

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4 ETAP软件计算法

与运算曲线法的计算原理不同，ETAP软件的计算方法为等效电压源法，当电力系统内部某一点发生短路故障时，在该点引入一个虚拟电压源，该电压源为网络的唯一电压源，三相交流系统短路电流的大小不但取决于网络结构，还与短路前系统的运行状态密切相关。

应用软件ETAP5.5.5来按照图1的系统建立单线图，参数与运算曲线法等同。结果如表二。

表二 ETAP软件短路计算报告

母线（额定电压） 名称 K1 K2 K3 K4 千伏 220 22 6 6 短路分析电流（千安） 三相短路对称初始值 31.444 209.521 47.458 45.750 三相短路峰值 82.817 564.317 122.990 118.497 5 两种方法比较分析

5.1 计算原理比较

在运算曲线法中，对负荷只作近似的估计，并用恒定阻抗来代表，运算曲线制作时采用的典型曲线计算结果接近发电机出力一半时仿真短路电流的大小[5]。

ETAP软件的短路计算模块按照IEC60909标准设计开发，短路电流计算结果接近发电机满发状态下仿真短路电流[5]，且对于汽轮发电机组时衰减曲线偏小，所以比运算曲线法结果偏大。

5.2电压修正因子比较

在运算曲线法中，母线电压采用平均电压，平均电压为额定电压的1.05倍。而ETAP软件计算法采用IEC标准，标准中引入电压修正因子Cmax=1.10。也可以根据我国电力系统的特点，对电压修正因子C进行修正，我国电压因数Cmax的建议值在系统电压为3~20kV时Cmax=1.10，系统电压为35~110kV时Cmax=1.07，系统电压为220~500kV时Cmax=1.10 [6]。可以看出，ETAP法计算中修正因子C都偏大，所以短路电流计算值比传统的运算曲线法偏大。

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5.3 冲击系数对比

在计算短路电流峰值时， ETAP软件计算采取了不同的支路采用不同的时间常数，从而取不同的冲击系数K，由公式（1）可知，不同的X/R（支路电抗/支路电阻）值影响了短路电流峰值的大小。

K1e3.14RX （1）

在运算曲线法中，冲击系数的使用是根据短路地点的不同来提供推荐值，如表三所示（表中X/R值为ETAP软件提供的推荐值），相对于ETAP软件，运算曲线法冲击系数偏小，所以短路电流冲击值相应偏小。

表三：冲击系数K对比 短路点 X/R值 运算曲线法 冲击系数K值 ETAP软件计算法 1.965 1.925 1.914 高压侧母线及发电发电机端 机电压电抗器后 90 1.90 40 1.85 远端短路点 35 1.80 5.4 电动机反馈电流比较

运算曲线法对于单台和成组电动机，计算公式如（2）。

\"IDKq.DPe.D3Ue.DDcosD103 （2）

\"式中，ID——电动机的反馈电流初始值；Kq.D——电动机平均的反馈电流倍数；Pe.D—

—反馈电动机额定功率之和；D——电动机平均效率；cosDUe.D——电动机的额定电压；——电动机功率因数

ETAP软件应用IEC标准对于1台感应电动机的反馈电流用公式（3）计算，接在同一条母线上的多台电动机的总的反馈电流等于这些电动机反馈电流的代数和。

\" （3） IbMqIKM\"式中，IbM——电动机的反馈电流；IKM——电动机反馈电流初始值；是电动机起动

倍数KQ和时间t的函数；q是m（电动机每对极的有功功率（MW））和时间t的函数。和q分别与电机参数和时间有关。

取其中一台电动机来作计算分析，额定电压6kV、额定功率4200kW、极对数2、功率因数0.85。结算结果可知：在短路点K3，电动机反馈电流初始值ETAP软件计算法为3.41 kA，

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运算曲线法为3.03 kA。

可以看出，ETAP软件的计算结果偏大。从两种方法的算法还可以看出，运算曲线法的计算公式，只考虑电动机对所在母线的反馈，而ETAP软件单线图的建立，还可以计及对分段母线中其他母线的贡献，这也是ETAP算法比运算曲线法偏大的原因。

6 结论

通过以上几个方面比较，得出结论：ETAP软件短路电流计算值不管是对称初始值还是峰值都比运算曲线法计算所得偏大。



西北电力设计院.电力工程电气设计手册[M].北京:中国电力出版社,1987. [3]

何仰赞,温增银.电力系统分析（第三版）[M].华中科技大学出版社,1995. [5]

谢文,朱文强,崔文进.IEC60909短路电流计算标准分析[J].电力建设,2005，Feb,Vol.26 No.2. [6]

刘刚.短路电流计算中引入电压因子C的研究[J].吉林电力,2001-1:第一期

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