港口供电系统短路电流计算实用方法及工程应用

港口装卸２０１７年第３期（总第２３４期）　港口供电系统短路电流计算实用方法及工程应用　刘庆国杨承志　交通运输部水运科学研究院　摘　要：在分析电力系统短路电流计算方法的基础上，推导了港口供电系统短路电流计算实用方法，结合港　口电气系统工程特点，提出了变压器高低压侧、设备进线端等关键位置的短路电流计算步骤和算式，并通过实际工　程对该实用方法进行了工程验证。　关键词：短路电流；计算方法；系统容量；短路阻抗　Ｓｈｏｒｔ．Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　Ｐｏｒｔ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　Ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｌｉｕ　Ｑｉｎｇｕｏ　Ｙａｎｇ　Ｃｈｅｎｇｚｈｉ　Ｃｈｉｎａ　Ｗａｔｅｒｂｏｒｎｅ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｓｈｏｒｔ—ｃｉｒｃｕｉｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｎ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｓｈｏｒｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｒｔ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｄｅｄｕｃｅｄ．Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｒｔ　ｅｌｅｃｔｒｉ・　ｃａｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｓｔｅｐｓ　ａｎｄ　ｆｏｒｍｕｌａｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｈｏｒｔ—ｃｉｒｃｕｉｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｉｄｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｌｉｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ａｒｅ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｖｅｒｉｉｆｅｄ　ｂｙ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｈｏｒｔ—ｃｉｒｃｕｉｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ；ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ；ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｐａｃｉｔｙ；ｓｈｏｒｔ—ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　１　引言　港口供电系统绝缘遭到破坏后会形成低阻抗通　路，短路电流可达几十安到数千安，可造成巨大危　技术，其根据国产同步发电机参数和容量配置，用概　率统计方法，制定了短路周期分量运算曲线，计算过　程较为简便，是国内电气工程短路电流计算的重要　方法，已制定《火力发电厂厂用电设计技术规程》　（ＤＬ／Ｔ　５１５３—２０１４）、《导体和电器选择设计技术规　定》（ＤＬ／Ｔ　５２２２—２００５）、《水电工程三相交流系统短　路电流计算导则》（ＮＢ／Ｔ　３５０４３．２０１４）等电力、能源　行业设计标准，但该计算方法缺乏理论基础，是工程　实践经验总结。　害。短路点导体问产生较大的机械应力，破坏导体　和支架的机械强度，严重时会造成电网损坏、电网停　电等重大事故。　本文在总结港口电气工程设计经验基础上，推　导了港口供电系统短路电流计算实用方法，结合港　口电气系统工程特点，提出了变压器高低压侧、设备　进线端等关键位置的短路电流计算步骤和算式，可　快速、准确、简捷地计算出故障点短路电流。　３　港口供电系统短路电流计算实用方法　３．１港口供电系统特点　２　供电系统常用短路电流计算方法　目前国内短路电流计算主要使用等效电压源法　和实用计算法。　等效电压源法技术原理基于ＩＥＣ　６０９０９标准技　术，是当前国际上广泛采用的短路电流计算方法，其　计算结果相对安全，适用于电路远端短路和近端短　港口供电系统主要由地区电力网、港区总降压　变电所、港区配电线路、前沿变电所、高低压配电系　统等部分构成，一般均从地区电力网实现电能输入，　通过降压变电站降低输送电压，由港区配电线路将　电力输配到各港区变电所，再经高低压配电系统把　电力传输到各系统及设备端口，为终端用电设备提　供电力供给。对国内大部分港口而言，电力自１１０　ｋＶ或３５　ｋＶ地区高压电力网引入港区总降压变电　所，通过降压设备将其降低到１０　ｋＶ或６　ｋＶ，然后分　配至港区前沿变电所，根据用途及类别，通过高低压　６３　路，但该方法计算量大，且前期技术参数需求较多，　一般不能满足工程设计需要。　实用计算法技术原理基于前苏联短路电流计算　Ｐｏｒｔ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　２０１７．Ｎｏ．３（Ｓｅｒｉａｌ　Ｎｏ．２３４）　配电系统把电力传输到６　ｋＶ、０．６９　ｋＶ、０．４　ｋＶ等电　气系统及电气设备。　港口供电系统简易馈电网络见图１。图中Ｋｌ　点为变压器低压侧短路时高压侧短路点（高压短路　点），Ｋ２点为变压器低压侧短路点（低压短路点），　点为设备进线端三相短路／单相短路时点（末端　用电设备短路点）。　图１港口供电系统馈电网络简图　根据《工业与民用供配电设计手册》的相关内　容，在供电系统设计前，设计部门需要业主或供电部　门提供本工程总变电站的最大和最小运行方式下的　短路数据、中性点接地方式、电网单相接电容电流　值、继电保护方式等技术初始资料　Ｊ。由于各种主　客观原因，设计部门无法取得相关数据，为了工程安　全、可靠，电气技术人员致力于短路电流计算方法的　研究，在缺乏相关数据的前提下，研究并推导了短路　电流计算步骤和算式，在计算的准确性、参数的简化　性、工程的实用性等方面达到了最佳平衡点。　３．２高压短路点计算步骤（Ｋ１点）　变压器的阻抗电压是在额定频率和参考温度　下，当变压器二次绕组短路（稳态），一次绕组流通　额定电流而施加的电压，通常以额定电压的百分数　表示：　Ｕ　：　＝　×１００：　×＝——　×１００％×　（１）　式中，　为阻抗电压，ｋＶ；Ｕ　为变压器高压侧额定　电压，ｋＶ；ｚ　为变压器总阻抗，Ｑ。　由变压器的等值电路（见图２）可知，低压侧短　路后的阻抗折算到高压侧，与高压侧阻抗相加后得　总阻抗Ｚ　＝Ｒ　＋ｊＸ　。励磁电流，０在原边漏阻抗ｚ　上产生的压降很小，因此在计算变压器电流时通常　忽略励磁电流。　×　＝　×堡４３　Ｘ　，Ｉｕｕ　ｌｕｕ　ＳＴ一　Ｐ．　＝—１　００　０　Ｘ　Ｓ：　×　“　（３）　Ｘ　＝√　一Ｒ　（４）　式中，Ｐ　为变压器的空载损耗，ｋＷ；Ｕ　为变压器额　定电压，ｋＶ；Ｒ　为变压器电阻，Ｑ；Ｘ　为变压器电　抗，；Ｓ　为变压器的额定容量，ＭＶＡ。　ｆ１　１　１　ｉｘ２　１ｆ２　图２变压器等值电路图　对于港口供电系统来说，单个变压器容量远小　于系统短路容量，实际工程中可认为当变压器低压　侧短路时，高压侧系统的短路容量为无穷大。根据　标幺值计算方法，可以得出变压器低压侧短路时标　幺值的计算式　］：　Ｓ　×　Ｓ，ｒ　（５）　Ｘ　－ｊ　（６）　＝ＸＴ＋Ｘｓ　（７）　ｓ　：　１１１００×ｓ　＝　×５　＝　×ｓ　（８）　式中，Ｓｉ为基准容量，ＭＶＡ；Ｓ　为变压器的额定容　量，ＭＶＡ；Ｓ　为系统短路容量，ＭＶＡ；Ｘ　为变压器标　幺值；　为系统标幺值。　由式（８）及三相电流计算公式，：　二＿＿，可推导　√３×　出变压器高压侧短路电流计算式：　，Ｉｄ　１００×赢　（９）　式中，，　为变压器高压侧短路电流初始值，ｋＡ；，ｌＴ为　变压器高压侧额定电流，ｋＡ；Ｓ　为变压器的额定容　量，ｋＶＡ。　３．３低压短路点计算步骤（　点）　由式（８）及三相电流计算公式Ｉ－　二＿－，可推导　√３×　出变压器低压侧短路电流计算式：　１００×熹　（１０）　式中，　为变压器低压侧短路电流初始值，ｋＡ；，ｌＴ为　变压器高压侧额定电流，ｋＡ；Ｓ　为变压器的额定容　量，ｋＶＡ；Ｕ：　为变压器低压侧额定电压，ｋＶ。　港口装卸２０１７年第３期（总第２３４期）　３．４末端用电设备短路点计算步骤（Ｋ３点）　３．４．１进线端三相短路　Ｒｐｈｐ＝—　（　（Ｉ）＋　（２）＋月（０）ｐｈ＋３　（０）ｐ）＝Ｒｐｈ＋　Ｐ　为了保证港口供电可靠性及负荷分配合理性，　港口变电站的主接线方式一般采用单母线分段的方　式，馈线采用放射式。　・　１　（１５）　ｐｈｐ＝—　（　（１）＋　（２）＋　（ｏ）ｐｈ＋３　（ｏ）ｐ）＝　ｐｈ＋　ｐ　（１６）　ＲＺ　Ｐｈｐ＝Ｒｓｐｈｐ＋　Ｔｐｈｐ＋Ｒｍｐｈｐ＋ＲＬｐｈｐ　（１７）　当设备采用低压供电、进线端三相短路时，采用　有名制计算短路电流初始值，计算式如下所示：　１．０５　Ｘ　Ｕ　』Ａ一　一　１．０５×Ｕ　∑ｐｈｐ　ｓｐｈｐ＋　Ｔｐｈｐ＋　ｐｈｐ＋ＸＬｐｈｐ　（１８）　√３×ＺＺ　×　∑　＋　∑　（１２）　（１３）　＋ＸＬ　式中，　为标称电压，Ｖ，设计手册规定２２０　Ｖ／３８０　Ｖ网络电压取值为３８０　Ｖ；Ｚ∑　ｈ　、Ｒ∑ｐｈｐ、Ｘ∑　ｈ　分别为　Ｒ　：尺ｓ＋　Ｔ＋尺ｍ＋　Ｌ　＝　ｓ＋　Ｔ＋　短路电路相保总阻抗、相保总电阻、相保总电抗，　ｍＱ；　、ＸＳｐｈｐ为变压器高压侧系统的相保电阻、相　保电抗，ｍ　；ＲＴｐｈ　、　Ｔｐｈ　为变压器相保电阻、相保电　式中，　为标称电压，Ｖ，设计手册规定２２０　Ｖ／３８０　Ｖ网络电压取值为３８０　Ｖ；ｃ为电压系数，计算三相　电流时取标称电压的１．０５；Ｚ　、Ｒ　、Ｘ　分别为短路　电路总阻抗、总电阻、总电抗，ｍＱ；Ｒ　、Ｘ　为变压器　高压侧系统的电阻、电抗（此处均取０），ｍｎ；Ｒ　、Ｘ　为变压器电阻、电抗，ｍｎ；　、　为变压器低压侧母　线段电阻、电抗，ｍＱ；Ｒ．．、Ｘ。．为配电线路电阻、电抗，　ｍｎ；，　为三相短路电流初始值，ｋＡ。　３．４．２进线端单相短路　抗，ｍ　；Ｒ　ｐｈｐ、Ｘｍｐｈ　为变压器低压侧母线段相保电　阻、相保电抗，ｍｎ；　Ｌｐｈ　、ＸＬｐｈｐ为配电线路相保电阻、　相保电抗，ｍ　；Ｉ１为单相短路电流初始值，ｋＡ；Ｒ【１ｈ、　尺（。　、　（　分别为相线电阻、相线零序电阻、相线　零序电抗，ｍ　；Ｒ　，Ｒ（　，Ｘ（０）『１分别为保护线电阻、保　护线零序电阻、保护线零序电抗，ｍｎ。　４工程应用实例　我国北方某港在某小变电站的主接线采用双路　进线，单母线分段方式，主要为４套皮带机、８个转运　站提供约１　０００　ｋＶＡ的电力供给，主接线方式见图３。　当设备采用低压供电、进线端单相短路时，采用　有名制计算短路电流初始值，计算式如下所示：　Ｊ，　一　：　：　一　：　：一　（１４）　～１叶，　√３×ｚｐｈｐ　√３×√Ｒ；ｈｐ＋　：ｈｐ　静止式动态＃ｌ转ｉ云站端转ｉ萄６　鞋ａ函玷婀转运站＃ｌ皮带机＃３皮带机　＃４皮带钔．地皮带机｛ｊ８转ｉ蓟６煽转运站＃４转　６　转运站　静止式动态　无跏　装置　硅ｌ∞　箱配电ｊ眚配电箱配电箱Ｉｊｏ　４０　６０　５５　ｊ（ｗ　７．５　ｊ《ｗ　７５　５５　ｊ（ｗ配彰陪配电箱配电箱配电箱（ｊｏ　４０　（ｊ０　∞　无功　装嚣　图３主接线系统图　根据负荷计算，变压器的额定容量为ＳＴ＝１　０００　ｋＶＡ，Ｕ　／４　＝１０／０．４　ｋＶ，Ｕｚ＝６％。　采用供电电缆ＹＪＶ２２—０．６／１一（３￣７０＋１ｘ３５），当　长度为１６７　ｍ、Ｋ３点发生三相短路时，设备进线端　由于业主无法提供短路电流计算所需的相关技　术参数，现假定变压器低压侧出现三相短路时，变压　器高压侧三相短路点（高压短路点Ｋ１）、变压器低压　三相短路时点（末端用电设备短路点Ｋ３），根据公式　（１１），三相短路计算结果为：Ｋ３＝３．８８　ｋＡ。　当　点发生单相短路时，，设备进线端单相短　侧三相短路点（低压短路点　）根据公式（９）、公式　（１０），计算结果为：Ｋ１＝０．９１６　ｋＡ，Ｋ２＝２４．０５６　ｋＡ。　路时点（末端用电设备短路点Ｋ３），根据公式（１４），　单相短路计算结果为：Ｋ３　１．３２　ｋＡ。　６５　Ｐｏｒｔ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　２０１７．Ｎｏ．３（Ｓｅｒｉａｌ　Ｎｏ．２３４）　某油品码头改扩建工程供电电源方案比选　夏建李嘉梁　中交第二航务工程勘察设计院有限公司　摘　要：近年来我国港口改扩建、技术升级类型项目逐步增多，改扩建项目中的供电方案需充分利用旧资　源，在保证供电可靠性的前提下，兼顾经济合理性。本文结合某码头改造工程，对供电电源方案进行多方面比较，　最终选择最经济的供电电源方案。　关键词：用电负荷等级；电压损失；柴油发电机组选型；经济性比较　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ａｎｄ　Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　Ｓｃｈｅｍｅｓ　ｆｏｒ　ａｎ　Ｏｉｌ　Ｔｅｒｍｉｎａｌ　Ｒｅｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｊｅｃｔ　Ｘｉａ　Ｊｉａｎ　Ｌｉ　Ｊｉａｌｉａｎｇ　ＣＣＣＣ　Ｓｅｃｏｎｄ　Ｈａｒｂｏｒ　Ｃｏｎｓｕｌｔａｎｔｓ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ，ｔｈｅ　ｒｅｎｏｖａｔｉｏｎ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ　ｕｐｇｒａｄｉｎｇ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｉｎ　ｏｕｒ　ｐｏｒｔｓ　ｇｒａｄｕａｌｌｙ　ｉｎ—　ｃｒｅａｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅｎｏｖａｔｉｏｎ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｓｈｏｕｌｄ　ｍａｋｅ　ｆｕｌｌ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｌｄ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ．Ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｐｒｅｍｉｓｅ　ｏｆ　ｅｎｓｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ．Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ａ　ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｒｅｎｏｖａｔｉｏｎ　ｐｒｏ—　ｊｅｃｔ，ｖａｒｉｏｕｓ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｐｒｏｇｒａｍｓ　ａｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｆｏｒ　ａ　ｗｉｄｅ　ｒａｎｇｅ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ．Ｔｈｅ　ｃｈｏｉｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｉｓ　ｆｉｎａｌｌｙ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｉｒｃｉｔｙ　ｌｏａｄ　ｒａｔｉｎｇ；ｖｏｌｔａｇｅ　ｌｏｓｓ；ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｉｅｓｅｌ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｓｅｔ；ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　１　引言　某码头改扩建工程，将新建一个３０　０００　ｔ级油　品泊位。该泊位可兼顾２艘３　０００　ｔ级油船的靠泊，　发电机为备用电源；西区配电所的进线电源为一路　１０　ｋＶ线路（引自中心变１０　ｋＶ母线），另配一路０．４　ｋＶ线路（引自中心变柴油发电机备用电源）。　水工结构兼顾５０　０００　ｔ级油船靠泊，内档从上游向　下游依次布置３个３　０００　ｔ级化工泊位，其中１个泊　位为复建（见图１）。扩建后设备总装机容量约为　６４９　ｋＷ，均为０．４　ｋＶ低压设备。　码头后方库区有２座变电所，分别为库区中心　变和西区配电所。中心变的供电电源为一路１０　ｋＶ　专用线路（引自附近公共电网），另配５００　ｋＷ柴油　图１某码头改扩建方案图　５　结语　根据计算结果，项目组开展了后续相关开关设　参考文献　中国航空工业规划设计研究院组编工业与民用配电　备选择、继电保护及参数整定等设计工作，并将研究　计算数据投入到实际工程应用中。经多年运行和实　设计手册（第四版）［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２０１６．　［２］　王振声，王玉卿．３５～６／０．４　ｋＶ配变电系统短路电流计　算实用手册［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００４．　刘庆国：１０００８８，北京市海淀区西土城路８号　收稿日期：２０１７—０２—２２　ＤＯＩ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—８９６９．２０１７．０３．０２３　际验证，本方法的计算数据满足实际工程应用需要，　达到了工程在缺少原始数据的前提下的安全运行　目标。