2023/09/24

【高壓設計】 - 高壓電網故障電流計算(一)之爲何採用標麼制 - Fault Level Calculation for HV System (Part 1) - Why use Per Unit System?

高壓電網故障電流的計算


故障:一般指短路和斷線,分為簡單故障和覆雜故障

簡單故障:電力系統中的單一故障

覆雜故障:同時發生兩個或兩個以上故障

短路:指一切不正常的相與相之間或相與地之間(對於中性點接地的系統)發生通路的情況。


短路種類:



  單相短路(Single Phase to Earth Fault):                 Type A(發生概率:70 - 80%)

  兩相短路(Phase to Phase Fault):                           Type B(發生概率:15 - 20%)

  兩相接地短路( Phase to Phase to Earth Fault):    Type C(發生概率:< 10%)

  三相短路(3 Phase Balanced Fault):                      Type D(發生概率:< 1%)

  三相接地短路(3 Phase to Earth Fault):                Type E(發生概率:2 - 3%)


另外亦有保護綫路的故障引起的fault:

  差動保護綫路短路(Phase to Pilot Fault):            Type F(發生概率:另計

  差動保護綫路接地短路(Pilot to Earth Fault):     Type G(發生概率:另計



計算低壓網路一般採用有名單位制;計算高壓網路一般採用標麼制(Base)


在一般的電路計算中,電流、電壓、功率和阻抗的單位分別用A,V,W,Ω表示,這種用在實際有名單位表示物理量的方法稱為有名制。

標麼值是相對單位制的一種。(標麼值)是電力系統分析和工程計算中常用的數值標記方法,表示各物理量及參數的相對值,單位為pu。在電力系統計算中,還廣泛地採用標麼值。

它們的關係是:

標麼值(p.u.) = 有名值 / 基準值



電流、電壓、阻抗和功率等電力系統量通常以標麼制表示。例如,如果指定基準電壓為 220 kV,則電壓 210 kV 為 210/220 = 0.954 pu。



以下是以Base=100MVA,11kV爲例計算350MVA的等效容量,等效阻抗及等效電流。


標麼制的一個主要優點是,通過正確指定基數(Base),可以簡化變壓器,發電機,電纜,電動機等設備的等效電路。以標麼制表示時,變壓器的等效阻抗無論是指初級還是次級,都是相同的。


但,這一點如何理解呢?

其實在電網中最令人頭疼的莫屬不同等級的電壓了。對於單一的電氣產品來説,大部分的只是應用於某一額定電壓。例如,11kV的發電機則在11kV的額定電壓下工作。但對於電網中常見的變壓器來説,就不只是工作在某一特定電壓,而是肩負著給上下兩級電壓的傳遞工作。因此,對於變壓器就有上下兩級兩個不同的額定電壓。那麽,如果在電網的計算中不統一電壓或者不使用一個基準值,計算起來是非常困難的。以下面的例子來説:

假設一個33kV/6.6kV的變壓器的容量為20MVA,阻抗值(Impedance)為10%(其實這裏的百分比,也是一種方便上下不同電壓等級表達的方法)。如果以有名實際值計算。在33kV端,阻抗值計算如下:


Actual Voltage over the Primary Side of Tx:        

33 kV x 10% = 3.3 kV


Actual Voltage over the Secondary Side of Tx:        

3.3 kV / 33 kV x 6.6 kV = 0.66 kV


Actual Impedance of the Primary Side (33kV side) of Tx:        

3.3 kV / Irated (Premary) = 3.3 kV / (20 MVA / 1.732 / 33 kV) = 3.3 kV / 0.35 kA = 9.43 ohm


Actual Impedance of Secondary Side (6.6kV side) of Tx:        

0.66 kV / Irated (Secondary) = 0.66 kV / / (20 MVA / 1.732 / 6.6 kV) = 0.66 kV / 1.75 kA = 0.38 ohm


由上面的計算可以看出,如果以有名實際值計算,在變壓器首級和次級計算出來的等效阻抗值是不同的。以33kV計算,變壓器等效阻抗為9.43 ohm,若以6.6kV計算,變壓器等效阻抗為0.38 ohm。如果我們在電網計算中都是以有名實際值計算的話,則每次都要在電網將有變壓器的地方“斬開”兩部分分別計算,計算效率則會大大降低。


標麼制的另一個優點是,根據額定值以單位表示阻抗,便於比較不同類型和額定值的各種電氣設備的特性。將所有量轉換為標麼制後,不同的電壓等級就會消失,涉及同步發電機、變壓器和線路的電力網絡就會簡化為一個簡單的阻抗系統,便於通過電氣設備的標么值參數來判斷和比較其性能。


瞭解了Base Unit System之後對我們進行電網故障電流計算會有很大幫助,具體我們會在之後的Blog中介紹。