第3章 風電場短路電流計算

3.1 短路的一般概念

3.1.1 短路的原因、類型及后果

電力系統在運行中會發生各種故障，常見的故障有短路、斷線或它們的組合。短路又稱橫向故障，斷線又稱縱向故障。而短路是電力系統中最為常見、危害最嚴重的故障。因此，故障計算的重點是短路，也常稱為短路計算。短路是指電力系統正常運行情況以外的相與相或相與地（或中性線）之間的連接。

1．短路發生的原因

引起短路的原因有主觀和客觀兩方面。

（1）客觀原因。由雷電引起的絕緣子表面閃絡，大風引起的碰線，鳥類以及樹枝等物掉落在導線上，暴風雪、冰雹以及地震等自然災害都會引起短路；絕緣材料因時間太長而老化，操作過電壓或雷擊過電壓、機械力損傷等，均可導致電氣設備絕緣的損壞而引起短路。

（2）主觀原因。由于設備制造上的缺陷、設計安裝不合理、檢修質量不高或運行維護不當也會引起短路；此外，還有運行人員的誤操作，如帶負荷拉隔離開關，檢修后未拆除地線就合閘等。

2．短路的類型

電力系統短路分為三相短路、兩相短路、兩相接地短路和單相接地短路4種形式，其中三相短路為對稱短路，其他三種形式短路為不對稱短路。三相短路發生的概率最小，但引起的后果最嚴重；單相接地短路發生的概率最高，在高壓電網中，它占到所有短路次數的85%以上。圖3-1所示為各種短路的示意圖和表示符號，圖中短路均指同一地點短路，實際上也可能是在不同地點發生短路，如兩相分別在不同地點接地再短路。

3．短路引起的后果

短路故障會給電力系統帶來很嚴重的后果，具體有以下方面：

（1）電力系統短路時，由于阻抗減小以及突然短路的暫態過程，會產生很大的短路電流，可能超過額定電流很多倍，短路電流通過電氣設備的導體時，使導體大量發熱，若短路持續時間較長，設備可能過熱以致損壞。

（2）短路電流的電動力效應也會損壞設備，縮短其使用壽命。

（3）短路時短路點的電壓比正常運行時低，如果是三相短路，則短路點的電壓為零。這必然導致整個電網電壓大幅度下降，可能使部分用戶的供電受到影響，接在電網中的用電設備不能正常工作。

（4）影響電力系統運行的穩定性。在由多個發電機組成的電力系統中發生短路時，由于電壓大幅度下降，風力發電機輸出的電磁功率急劇減少，如果由風力機供給的機械功率來不及調整，發電機就會加速，使系統瓦解而造成大面積停電。這是短路造成的最嚴重、最危險的后果（相對于火電廠或水電廠的大型發電機，由于單臺風力發電機功率較小，其短路對電網的影響也較小）。

（5）對通信干擾。接地短路的零序電流將產生零序磁通，在鄰近的平行線路（如通信線、電話線、鐵路信號系統等）上產生感應電動勢，對鄰近平行架設的通信線路造成干擾，不僅降低通信質量，還會威脅設備和人身的安全。

3.1.2 短路電流計算的基本假設

短路過程是一種暫態過程。影響電力系統暫態過程的因素很多，若在實際計算中把所有因素都考慮進來，計算過程將十分復雜，也不必要。因此，在滿足工程要求的前提下，為了簡化計算，通常采取以下合理的假設，采用近似的方法對短路電流進行計算：

（1）短路過程中發電機之間不發生搖擺，系統中所有發電機的電勢同相位。采用該假設后，計算出的短路電流值偏大。

（2）短路前電力系統是對稱三相系統。

（3）不計磁路飽和。這樣，使系統各元件參數恒定，電力網絡可看作線性網絡，能應用疊加原理。

（4）忽略高壓架空輸電的純電阻和對地電容，忽略變壓器的勵磁支路和繞組電阻，每個元件都用純電抗表示。采用該假設后，簡化部分復數計算為代數計算。

（5）對負荷只作近似估計。一般情況下，認為負荷電流比同一處的短路電流小得多，可以忽略不計。計算短路電流時僅需考慮接在短路點附近的大容量電動機對短路電流的影響。

（6）短路是金屬性短路，即短路點相與相或相與地間發生短路時，它們之間的阻抗是零。