【高壓設計】 - 高壓電網故障電流計算（二）之計算方法及假設 - Fault Level Calculation for HV System (Part 2) - Assumption & Method

計算高壓故障電流時，一般有以下假設：

• 短路前三相系統是正常運行情况下的接線方式，不考慮僅在切换過程中短時出現的接線方式；
• 若電阻值少於電抗值的三份之一在多數情況下可忽略
• 電容可忽略；
• 機械的電抗可視作常數；
• 發電電壓可假設為常數，並聯電容器可忽略；
• 滙流排的阻抗、開關掣和電流互感器可忽略；
• 短路電流波形假設是正弦波；
• 短途輸電電纜的電阻可以忽略；（遠距離不可忽略）
• 短路位置的阻抗可忽略；
• 在短路持續時間內，短路相數不變。

計算故障電流的方法：

1. 對於低壓（220/380V）:一般采用實際單位制；
2. 對於高壓（主要是針對有變壓器或者不同電壓等級的網絡）：一般采用標麽制；

高壓電網故障電流計算步驟及方法如下：

1. 用單線圖記下電纜，發電機和變壓器等設備的參數。

2. 選擇標麼制基值，轉換實際值為標麽值，100 MVA。

3. 用以下公式計算電纜，發電機和變壓器的電抗（或阻抗）的標麼值

4. 確認故障的種類，位置，及路径。

5. 把計算得的標麼值放在單線圖上。

6. 從故障位置角度計算網路的等效電抗。

7. 用以下公式計算故障點的故障MVA。

8. 用以下公式計算故障電流。

舉例説明：

計算下圖故障位置的故障電流：

根據所提供的信息計算等效電抗並簡化電路，由於ACB常開，右側電路與fault無關，可以直接省略。

選擇MVA Base = 100 MVA。

高壓電網的電抗標麽值 = MVA Base / 電網 2000 MVA = 0.05 p.u.

132kV/11KV變壓器等效電抗標麽值 = 5% x 100 / 50 = 0.10 p.u.

11kV/380V變壓器等效電抗標麽值 = 4% x 100 / 2 = 2.00 p.u.  （Tx 3并不在fault path上， 故無用）

Genset等效電抗標麽值 = 2% x 100 / 2 = 1.00 p.u.

Motor等效電抗標麽值 = 2% x 100 / 1.5 = 1.33 p.u.

Other Load 1等效電抗標麽值 = 100 / 0.5  = 200 p.u.

Other Load 2等效電抗標麽值 = 100 / 2  = 50 p.u. （Load 2并不在fault path上， 故亦都無用）

進一步簡化電路，由於Load 1 也不在fault path上，進一步刪除Load 1。

合并等效電抗，Genset和Motor的電抗為并聯計算，進一步得到：

Z2, Z3, Z4串聯直接相加計算，進一步簡化得到：

最後一步等效電阻為并聯，因此最終縂等效電抗標麽值 (Equivalent Impedance)：0.45 p.u.

該位置的故障大小為：100 MVA / 0.45 = 221.51 MVA， 故障電流為：336.55 kVA

具體計算式如下（點擊可以放大）：

上面的應用例子只涉及到了變壓器，發電機等設備的等效電抗，而沒有計算高壓電纜的電抗。在實際應用中高壓電纜的電抗往往很小，對故障的計算影響甚小。但如果涉及到精確的保護器件的故障計算，電纜的阻抗也要考慮進去。

【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。