【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。

【高壓制櫃設計】 - 高壓設計標準及規範 - CoP相關要求

Code of Practice (CoP) for The Electricity (Wiring) Regulations 高壓裝置及安裝相關規定：

• 4E Working Space （4E 工作空間）： electrical equipment operating at HV （電力器具如以高壓操作的相關空間要求）

• 4F Switchroom/Substation （4F 開關掣房 / 電力分站）：上鎖設施。（4F(1)(c), 4F(1)(d)）

• 4H Safety Precautions for Work on High Voltage Installation （4H 在高壓裝置上進行工作的安全預防措施）
• 高壓裝置以屏障或欄柵圍封
• 高壓範圍均須上鎖
• 必須設置獨立鎖匙箱
• 高壓範圍內設有使用氣體撲滅系統的固定自動滅火系統，須用鎖匙將滅火系統調校至「手動」狀態。
• 在高壓電力器具進行的工作的要求（ 不帶電、有效接地、發出工作許可證或測試許可證（work permit）

• 5C Segregation of Category 4 Circuits and Circuits of Other Categories （5C  第4類電路與其他類別電路的分隔）
• “第4類電路”(category 4 circuit) 指高壓電路。

• 6I Protection Requirement of High Voltage Circuit （6I 高壓電路的保護要求）
• 應根據生產商的資料設定高壓裝置的保護器件，並需妥善設計以確保故障消除時間在器具的額定值範圍內。

• 8A (7) 11kV and 22kV Main Switch （11千伏及22千伏總開關掣）
• 11kV Main Switch：Circuit Breaker - rated for use at 11kV and fault level of 18.4kA rms for 3 seconds，lightning impulse withstand voltage should not be less than 75kV peak.
• 22kV Main Cwitch：Circuit Breaker - rated for use at 11kV and fault level of 25kA rms for 3 seconds，lightning impulse withstand voltage should not be less than 125kV peak.
• Main Breaker - normally be of draw-out type and lockable at that position
• 斷路器、接地開關及隔離器之間須設有連鎖設施。
• 開關設備的插座必須設有安全活門（ Safety shutter）。
• 接地開關（Earthing Switch）：fault making type，operated by mechanical means when it is closed to circuit earth position

• 17A Warning Notice for Substations and Switchrooms （17A  電力分站及開關掣房的警告性告示）
• 高壓裝置的警告性告示

• 20A Fixed Electrical Installations Specified in Regulation 20(1) （20A 規例第 20(1) 條所指定的固定電力裝置）
• High voltage fixed installations 高壓固定電力裝置
• 須最少每年作一次檢查、測試及領取證明書

• 21C Inspection of High Voltage Installations （21C 高壓電力裝置的檢查）

• 21D Testing of High Voltage Installations （21D 高壓電力裝置的測試）
• 高壓裝置的測試，應以有關的認可標準、製造商的建議、操作及維修指示作為參考。
• 檢查高壓器具上的帶電電壓及相序的工作只可由負責工作人士進行。
• 應向負責工作人士發出測試許可證以進行高壓測試。該負責工作人士須在整段測試期間在場。

• 22D Checklist for high voltage installations （22D 高壓裝置核對表）
• Checklist No. 5 - Items for HV Installation （核對表 5——高壓裝置核對項目）

• Appendix 16. Sample of Permit-To-Work / Sanction-For-Test （16. 工程許可證 / 測試許可證（高壓）樣本）
• 16A Permit-To-Work 工作許可證：高壓固定電力裝置部分
• 16B SANCTION-FOR-TEST (High Voltage) 測試許可證（高壓）

• Appendix 17. Sample of HV Enclosure Log Book / HV Padlock Movement Log Book （17. 高壓範圍出入記錄簿 / 高壓掛鎖關啟記錄簿樣本）
• 17A HV ENCLOSURE LOG BOOK 高壓範圍出入記錄簿
• 17B HV PADLOCK MOVEMENT LOG BOOK 高壓掛鎖關啟記錄簿

【高壓制櫃設計】 - 高壓掣櫃之設備（四）- HV Protection Device 高壓保護裝置

Earth Switch 接地開關掣

Earth Switch  接地開關通常被使用和安裝在中壓掣櫃中。當隔離任何一條饋線（進線或出線）進行維護時，必須通過關閉 Earth Switch  接地開關掣對饋線進行接地，以釋放饋線上攜帶的任何靜電。

接地開關掣單獨安裝在開關設備-電纜地下室的前面（圖a）或load break switches(LBS)的下方（圖b）或VCB的正下方（圖c）。

開關掣櫃設備制造商必須將接地開關掣與VCB或LBS進行機械和電氣聯鎖，以避免它們同時關閉時發生嚴重的對稱性短路。

Earth Switch 接地開關掣的聯鎖保護機制

僅當接地開關掣處在分閘位置時，斷路器手車才能從試驗/檢修位置移至工作位置。僅當斷路器手車處於試驗/檢修位置時，接地開關掣才能進行合閘操作。這樣實現了防止帶電誤合接地開關掣，以及防止接地開關掣處在閉合位置時分合斷路器。

接地開關掣處於分閘位置時，開關掣櫃下門及後門都無法打開，防止了誤入帶電間隔。

Operation of Earth Switch 接地開關的操作

接地開關的操作影片

【高壓制櫃設計】 - 高壓掣櫃之設備（三）- HV Protection Device 高壓保護裝置

Pilot Wire Differential Protection 差動保護

差動保護是高壓線路、發電機、變壓器的主要保護。是在被保護對象的兩端安裝電流互感器（C.T.），利用電流互感器里采集的電流進行比較，計算差值。如果差值超出定值，再滿足電壓的閉鎖條件，一般是電壓降低，因為發生相間短路或者接地的時候，電流會升高，所以電壓就會降低。當電壓降低到一定程度，電流高於定值的時候，保護動作啟動開關跳脫。

差動環流保護原理可應用於饋線保護。在每條受保護線路中連接兩個 CT，每端一個。在無故障條件下，兩端 CT 的次級電流相等，並且該電流在引導線中循環。在無故障情況下，兩個 CT 的差動電流 I1-I2 為零，繼電器不動作。一旦饋線產生故障，這種平衡被打破，差動電流流過繼電器操線圈。電流流過控制線和繼電器。線路兩端的斷路器跳閘，隔離故障線路。

差動保護單線示意圖

差動保護三相接線示意圖

測量兩段電流互感器的精確匹配是非常重要的。如果Pilot Wire出現斷路，系統將無法提供保護。如果保護的線路較長，由於需要較長的Pilot Wire，整個系統成本較高，而且，在Pilot Wire較長的情況下，由於Pilot Wire的電容效應的充電電流甚至在正常情況下也足以導致保護動作啟動開關跳脫。

某差動保護元件及型號：Link

饋線差動保護產品說明

【高壓制櫃設計】 - 高壓掣櫃之設備（二）- HV Protection Device 高壓保護裝置

在低壓系統中，客戶須於總開關設有自動斷路裝置，在相間故障及接地故障時提供保護。在高壓系統中也是一樣，高壓制櫃進線的有關保護器件的型號及設定，須與電力公司的供電保護設備互相配合。 客戶須提交建議的總開關保護系統的「時間－電流」曲線特性，以證明該設計在相間故障及接地故障時可與電力公司的系統互相配合。

客戶高壓總開關的保護 Customer HV Main Switch Protection (以港燈HEC供電系統為例)

11-kV HV System:

• 相間故障 Phase fault: 18.4 kA (350 MVA) 
• 接地故障 Earth fault: 2.0 kA

22-kV HV System:

• 相間故障 Phase fault: 25 kA (952 MVA) 
• 接地故障 Earth fault: 2.5 kA

為了與電力公司的線路保護繼電器配合，客戶的進線總開關的相間故障及接地故障保護繼電器的操作時間，不能超過電力公司可接受的最大「時間－電流」曲線特性。電力公司一般會在設計階段提供這一曲線，或者直接建議客戶端進線開關的保護relay的P.T. (Plug Setting)和T.M.S. (Time Multiplier Setting)。

電流互感器須有足夠的輸出以防止出現C.T. Saturation（飽和）*的情況。因此，客戶須提交文件或數據，證明建議使用的電流互感器有足夠的輸出以符合相間及接地故障保護的要求。

*C.T. Saturation C.T. 的飽和狀態

C.T. 是通過磁芯來進行電磁感應效應的，而C.T. 的能承受的磁通量是有一定界限的。當初級電流超過一定界限，以至於C.T. 的磁芯無法處理更多的磁通量時，CT被稱為處於飽和狀態。在飽和狀態下，當初級電流發生變化時，沒有磁通變化（因為磁芯已經承載了最大的磁通）。由於沒有磁通量的變化，也就沒有次級電流的流動。換句話說，在飽和狀態下，所有的比率電流都被用作磁化電流，沒有任何電流流入連接到CT的負載。

港燈HEC客戶11kV總開關保護設備的可接受的過流故障保護的最大I-t特性曲線

港燈HEC客戶11kV總開關保護設備的可接受的接地故障保護的最大I-t特性曲線

保護系統及繼電器的輔助電源

若客戶的保護系統或繼電器需要依靠輔助電源運作，該電源必須在客戶的高壓系統發生故障時仍可維持可靠無間斷供電，以確保保護系統及繼電器正常操作。

保護繼電器設定的機制和標準 :

• 進線總開關處不應超過電力公司的OCEF保護時間限制
• O/C，E/F保護的區別設定應是合理的，不應導致未發生故障的電路跳脫。
• O/C，E/F保護應在未達到下遊電纜能承受的短路電流前使電路跳脫。（不同品牌的高壓電纜有不同的Short Circuit Current Rating）(如下圖)
• 區別時間應考慮Relay電流時間特性曲線、C.T.的誤差、Relay的誤差、Relay的overshoot、circuit breaker的故障清除時間，安全餘量等。
• 確定過流保護的區別和繼電器設置 Determination of O/C Discrimination and protection relay setting
• 確定接地保護的區別和繼電器設置 Determination of O/C Discrimination and protection relay setting

 

某品牌高壓電纜之Short Circuit Current Rating in 1 sec

區別保護曲線的時間差餘量計算