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分布式发电网络中的短路计算
Thekla N. Boutsika a，Stavros A. Papathanassiou b，*
a公共电力公司（PPC）S.A.，分销部，27，Patission街，104 32希腊雅典
b雅典国立技术大学（NTUA），电气与计算机工程学院，
9，Iroon Polytechniou Street，157 73希腊雅典
摘要
故障等级考虑可能是分布式发电（DG）与网络互连的一个抑制因素，特别是在中等电压等级。本文采用最新版本的IEC 60909标准来计算带中压和低压配电网的故障等级。 首先介绍IEC计算方法的概要，包括DG案例研究的所有相关方程。然后各种DG类型的短路贡献被广泛讨论。该方法学的应用在研究案例中压分布式配电网络上得到证明，该网络包括所有代表性的DG源的类型。重点在于上游系统的贡献，上游系统是短路电流的主要来源。 还讨论了降低故障水平的潜在措施。
1．介绍
配电网络的特点是设计短路容量，即最大可接受的故障电流，与所使用的开关设备以及设备和结构的热和机械耐受能力有关。将分布式发电（DG）资源连接到网络，除了电压调节和电能质量约束[1]外，由上游电网和DG组合的短路贡献决定的总故障电平应该低于网络设计值。这种限制通常是新型DG装置[2,3]与现有电网互联的主要抑制因素。
在中压（MV）和低压（LV）径向网络中，上游电网的故障电流贡献实际上由HV / MV或MV / LV变压器的短路阻抗决定，尽可能低 以提高电压调节和网络的整体电能质量性能。 因此，现有配电网的短路容量，尤其是中压水平的短路容量接近设计值，即使中等数量的DG连接也几乎没有余量。
开关设备选择和保护协调的短路计算是根据既定的国家和国际惯例进行的，最重要和广泛接受的是IEC和ANSI / IEEE标准[4-6]。在本文中应用的IEC标准60909 [7-11]涵盖了各种网络电压等级，配置，运行条件以及发电和负载设备，但仍以传统的大型集中式传统发电系统为范例。它没有提供关于中小型DG装置的故障贡献的指导，尤其是对于最近和新兴技术，涉及具有电力电子转换器与电网接口的源。
本文的目标是双重目标。首先，它试图提供一个简明易用的指南，用于将IEC 60909应用于连接DG的MV和LV径向分布网络中的故障级别研究。注意力集中在三相短路导致最大故障电流的网络上。然后，它包括计算当今遇到的各种DG的故障电流贡献的建议。在第2节中，介绍了IEC标准的概况，其后是所需的应用公式和细节。第3节概述了故障级别计算程序，第4部分提供了关于主要DG源类型表示的指导原则。第5节中，该方法的应用在具有各种DG装置的研究案例网络上进行了演示。第6节讨论了降低故障级别的切实可行的解决方案。
2. IEC 60909标准概述
2.1.基本原则
IEC 60909标准适用于计算50或60 Hz三相交流系统中的短路电流。采用等效电压源方法，只允许使用系统的额定电压和设备的额定值计算故障电流。计算过程中有几个简化是固有的。 为提高结果的准确性并考虑系统运行条件（故障前电压，负载水平，变压器分接开关位置等），本标准建议使用各种阻抗校正因子。
短路电流总是被认为是一个交流对称分量和一个非周期性（直流）衰减分量的总和。 “远程发电机”和“接近发电机”故障之间存在根本区别。 在前者中，短路电流包括一个时间衰减的对称交流分量，而在后一种情况下，交流分量在时间上保持恒定。标准中计算短路电流的最大值和最小值，用于平衡和不平衡故障。根据网络配置采用不同的方法 - 径向或网状 - 以及故障定位。
在网络中存在多个故障电流源的情况下，总故障电流是所有分量（系统变压器，本地发电机和电机负载）的矢量和。 但是，在径向系统中，也允许代数求和，这简化了计算并提供了安全的结果。
这里的目标是计算DG配电网络中的最大短路容量。这是针对三相故障执行的，当网络中性点直接接地或通过接地故障限流阻抗接地时，故障电流最大（在具有不同接地布置的网络中，可能出现其他类型的故障，例如单线 对地，可能产生最高的故障电流）。 假设上游网络的贡献（但不是本地DG资源）的“远离发电机”条件。
2.2．短路电流定义
初始对称短路电流是预期短路电流的交流对称分量的均方根值。 初始对称短路功率S也被称为故障电平，定义为
其中Un是短路位置处的标称电压。考虑到时间衰减的短路电流的各种影响，参考文献定义了几个特征值。 [7]并在下面简要描述。
bull;峰值短路电流ip被确定为故障电流的最大瞬时值：
因子kappa;由以下表达式给出：
其中R和X是短路位置处的等效短路阻抗Zk的实部和虚部。
bull;短路电流的衰减非周期性分量idc，确定为故障电流的顶部和底部包络线之间的平均值：
其中f是标称频率，t是时间，R / X与Eq中的比率相同。（3）。
bull;对称的短路开断电流Ib是开关装置中第一极断开时瞬间电流的对称交流分量的积分周期的均方根值。对于远离发电机的故障，以及对于网状网络中的短路，假设Ib等于.在非网状网络中接近发电机短路的情况下，同步和异步的对称分断电流 机器（发电机或电动机）分别由下式给出：
因子mu;是比率/ IrG的函数，其中IrG是同步电机的额定电流。系数q是比率PrM / p的函数，其中PrM是额定有功功率，p是异步电机的极对数。这两个因素取决于所考虑的最小分断时间tmin，并且IEC标准中提供了具体的关系和图表。安全但保守的近似值为mu;= 1，mu;q= 1。
bull;稳态短路电流是瞬态分量衰减后电流的有效值。对于发电机：
其中lambda;max由图形获得。对于远离发电机故障，
bull;热等效短路电流Ith定义为非衰减电流的有效值，具有与实际电流相同的热效应和持续时间：
Tk是短路电流的持续时间。由图形获得的因子m和n分别用于直流和交流分量的热效应。
2.3．计算初始短路电流
计算上一节中定义的各种短路电流是基于初始对称短路电流I的计算。IEC 60909计算方法确定了在短路位置F使用等效电压源cUn /定义为在正序系统中短路位置施加的理想电源的电压，而系统中的所有其他电源被忽略（短路）。参考文献中提出的等效电压源方法。[7]如图1所示。电压因子c考虑了系统电压的变化，并应与网络中允许的电压偏差一致。在计算最大短路电流时，参考文献中推荐值Cmax = 1.1。[7]适用于所有电压等级。
对于对称的三相短路，初始对称电流的计算方法如下：
其中Zk是短路位置F（图1）上游电网的等效短路阻抗Zk（基本上是戴维宁阻抗）的大小。
在不平衡短路情况下，计算采用对称分量法。导致最高电流的故障类型取决于故障位置处的序列阻抗Z（1），Z（2）和Z（0）（下标（1），（2）和（0）分别表示正，负和零序量）。当Z（0）gt; Z（1）= Z（2）时，例如，与MV接地电阻接地的高压/中压变电站一样，本文所述的三相短路会产生最高的故障电流。在具有不同中性点接地方案的网络中，不平衡接地故障可能会提供最高的故障电流。
根据IEC 60909，在非网状网络中，短路位置处的初始对称电流由各个部分短路电流（即各个源的贡献）的相量和给出。在网状网络中，短路阻抗Zk = Z（1）由网络缩减技术确定，使用系统组件的正序短路阻抗。
2.4．短路阻抗
正如前面部分所述，等效电压源cUn/是系统中唯一有源电源。上游网络和所有同步和异步机器均由其内部阻抗取代。由于本文仅涉及三相故障，所有阻抗都是正序故障。
在下面的论文中，指数Q，T，G和M分别表示网络，变压器，同步（发电机）和异步（电动机）机器。下标r和n代表额定值和额定值，而t代表值指的是短路位置的电压电平。上标b表示短路前的最大已知值。小写字母表示设备的额定值的每单位数量。
bull;馈线连接点Q上游网络的等效阻抗ZQ = RQ jXQ由此时的可用故障电流（即系统的短路容量）确定：
对于额定电压高于35 kV的电网，IEC标准建议RQ = 0.在所有其他情况下，建议RQ / XQ = 0.1作为安全假设。
bull;带或不带有载分接开关（OLTC）的变压器的短路阻抗ZT = RT jXT计算如下：
其中ukr是变压器的短路电压（即其串联阻抗，单位为％），uRr是短路电压的额定电阻分量（单位为％），PkrT是额定电流下的负载损耗。公式。 （11） - （13）也适用于短路限流电抗器。
bull;架空线路和电缆的阻抗ZL = RL jXL根据导体和线路几何数据计算[9]，它通常以标准线路类型而闻名。
bull;同步发电机被其阻抗取代
其中是次暂态电抗。
bull;对于通过单元变压器连接到网络的同步发电机的发电站设备，使用以下阻抗（参考HV侧）：
tr是单位变压器的额定变比。
bull;异步电机的阻抗ZM = RM jXM由下式给出
ILR / IrM是机器锁定转子与额定电流的比值。 比率RM / XM由等效电路数据评估。取决于电机的额定功率和电压，典型值也可用。
bull;IEC69090中的可逆静态变频器馈电驱动器与异步电机一样，ILR / IrM = 3和RM / XM = 0.1。 计算故障电流时忽略所有其他静态转换器。
bull;并联电容器和非旋转负载被忽略。
bull;当网络中存在多个电压等级时，使用所涉及变压器的额定变比tr将电压，电流和阻抗转换为短路位置的电压等级。
2.5．修正因素
为了补偿该方法的各种简化假设，IEC 60909对变压器（KT），同步发电机（KG）和发电站单元（KS和KSO）引入了阻抗修正系数，它们将所有计算公式中各自的阻抗相乘：
式（17）是方程式的简化形式（18）来自变压器的统计数据，它不依赖于故障前的操作条件。公式（20）和（21）分别用于配备有载分接开关和有载分接开关的变压器发电站。
方程式中的电压因子Cmax （17） - （21）根据设备额定电压（不是故障位置的电压）确定。因子（1plusmn;pG），其中pG是发电机允许的过电压，对应于最大和最小转换比。在等式（18）sinphi;对于变压器的滞后功率因数（从馈线吸收的电压）为正。在等式（19） - （21）sinphi;对发电机的主功率因数（产生VAr）为正。
方程式的阻抗校正因子根据戴维宁原理，通过比较等效电压源方法的计算结果和叠加法得到的结果，推导出式（17） - （21）应用各种近似值来推导这些表达式（例如基于统计数据和操作实践的等）。假定额定工作条件获得最大故障电流。
3．具有DG的网络中的故障级别计算
3.1．概括
在具有DG的配电网络中，在最大故障电流条件下，网络的每个点都应满足不超过设计短路容量的要求。在典型的由HV / MV（或MV / LV）变电站馈电的径向网络中，这种情况通常需要在变电站的MV（或LV）母线处检查，因为上游电网提供主要贡献，其迅速减少由于线路的串联阻抗而在网络的下游。另一方面，单个DG源的贡献在远程网络节点处减小到非常小的程度，因为与网络线路的阻抗相比，它们的内部阻抗相对较高。因此，无论采用DG互联方案（连接现有馈线或通过专线直接连接母线，1），通常需要在变电站的次级母线上执行短路电流计算。
无论如何，产生的故障水平是来自上游电网，通过降压变压器以及连接到配电网的各种发电机（可能还有电机）的最大故障电流的相量总和。根据IEC 60909，网格贡献很容易计算。另一方面，许多新型DG源类型的贡献未在标准中解决，需要做出几个假设，如下所述。
3.2．上游电网的贡献
使用以下表达式计算电网的短路电流贡献（图2）：
其中阻抗ZQ和ZT由方程式（10） - （13）给出而校正因子KT来源于方程式（17）或（18）。
关于ZQ，一个典型的假设是RQ / XQ = 0.1。但是，在传输线较长的系统中，可能有较高的值。随着变压器尺寸的增加，变压器阻抗ZT的电阻部分变得可以忽略不计。如果不给定，它可能会被忽略（uRr = 0）。
虽然实际转换比率t和变压器阻抗取决于分接头位置，但额定分接头的值可用于公式（22）。这在IEC 60909中得到了认可，并且由校正因子KT进行了部分补偿，校正因子KT由等式（17）或（18），前者更常用。第4节将对此进一步讨论。
3.3 .DG站的贡献
目前，中压配电网
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