短路電流計算在電力系統事故分析中的應用

熊友紅，邱軍，趙建剛，程剛，鄔守鑫

（武鋼有限公司能源環保部，湖北武漢 430081）

引言

武鋼作為大型鋼鐵企業，內部輸配電系統結構十分復雜，供電系統根據生產工序分區域管理，這種運行管理模式時常帶來事故信息不對稱，故障點不易判斷的困難，特別是電力系統發生的疑難故障。為了縮短故障查找時間，我們采取分析計算短路電流的方法，推斷故障點可能的位置，并作為一種有效手段應用于實際工作中。本文用三個典型案例對短路電流計算在電力系統事故分析中的應用進行詳細闡述。

1 負荷側故障引起母線差動保護動作

110 kV總降變電所10 kV II段母線上配出線路由于限流電抗器末端負荷側發生B、C兩相瓷瓶閃絡短路故障，導致10 kV II 段母線不完全母線差動速斷保護動作，使變電所10 kV II 段母線全停電。此次事故由配出線路負荷側故障引起該段母線差動保護動作跳閘，造成一段母線失電的擴大性事故。

1.1 事故經過

2018 年6 月9 日，武鋼電力系統某110 kV 總降變電所10 kV II 段母線4M 配出線路送三燒2#線出線限流電抗器末端發生B、C 兩相瓷瓶閃絡短路故障，導致B、C 相瓷瓶燒毀。10 kV 配出三燒2#線的過流保護和10 kV II 段母線的差動速斷保護均發出啟動信號，由于三燒2#線過流保護有1.2 s的延時動作時限未出口，瞬動時限的10 kV II 段母線差動速斷保護出口跳閘，造成總降變電所10 kV II 段母線全停電事故。總降變電所10 kV供電一次系統圖如圖1所示。

1.2 事故原因分析

觀察總降變電所10 kVⅡ段母線故障電流電壓錄波圖發現，在三燒2#線出線限流電抗器末端發生BC相間短路故障之前300 ms時，先發生了C相單相接地故障，10 kV II段母線C相電壓最低降至234 V，A、B相電壓則由之前正常時的6 kV升高至10.4 kV左右。隨后發生了BC相間短路故障，B相短路電流12.82 kA，C相短路電流為12.12 kA，BC相間短路電流最高達13.2 kA，BC相間故障電壓達3.93 kV。經仔細查找，在三燒2#線電抗器室內查找到了短路點，該短路點位于電抗器B相、C相支撐瓷瓶處。

圖1 總降變電所10kV供電一次系統圖

1.3 短路電流的計算

不難發現，若配出線路電抗器下端故障，則故障點不在10 kV II 段母線差動保護范圍內，區外故障母差保護不應該動作。為論證母差保護動作是否正確，結合武鋼電網上級系統阻抗值和三燒2#線電抗器設備參數，對配出線路短路電流、母線殘壓以及母差保護的定值進行核算。

采用標幺制計算，取基準容量Sj=100 MVA，10 kV 基準電壓為Uj=10.5 kV，對應的基準電流Ij（A）=Sj/Uj=5.5 kA、基準阻抗Zj==1.103 Ω。

已知總降變電所110 kV 系統等值阻抗0.0355；主變壓器容量50 MVA，短路電壓10.5%，折算基準條件下的電抗標幺值為0.21；10 kV 配出線路三燒2#線電抗器型號規格XKGKL-10.5-1500-8，額定電流1500 A,百分電抗8%，折算基準條件下的電抗標幺值為0.279。10 kV 配出三燒2#線系統各元件短路阻抗如圖2所示。

圖2 總降變電所10 kV配出三燒2#線短路阻抗圖

電抗器末端三相短路電流為：

故電抗器末端兩相短路電流為：

10 kV 配出三燒2#線電抗器外部短路時可能出現的最低母線殘壓（線電壓）為：

1.4 數據分析

從計算結果數據分析，限流電抗器末端三相短路最大故障電流計算值為10.6 kA，兩相短路電流為9.2 kA，而實際BC 相間短路的短路電流達13.2 kA；10 kV II 段母線殘壓計算值為5.6 kV，實際II段母線殘壓為3.93 kV，故三燒2#線電抗器二次污閃導致了電抗器一次閃絡放電，故障點發展到母差保護范圍內，母差保護動作正確。

2 電力系統電壓波動設備無異常時故障點的查找

2.1 事故經過

2018 年7 月18 日，某總降變電所110 kV 系統電壓波動，2#主變壓器后備保護啟動，35 kV 4M配出煉鋼2#精煉爐后備保護動作跳閘，故障電流達5.9 kA。檢查變電所電氣設備無異常。變電所一次系統簡圖如圖3。

2.2 故障點查找分析

2#精煉爐電壓等級35 kV，由110 kV 2M 經2#主變送電，CT 變比600/5，過流31 A/0.8 s。由保護裝置讀出，保護動作跳閘時故障電流為IA=5.85 kA、IB=5.9 kA、IC=5.81 kA，大于過流整定電流值31×600/5=3.72 kA，過流保護正確動作。通過對總降變電所各級系統短路電流大小的計算，110 kV 側最小短路電流理論值是11.5 kA，35 kV 側最小短路電流理論值是5.8 kA，10 kV 最大短路電流理論值是15.6 kA。而5.9 kA 短路電流折合到110 kV 側為1.88 kA，折合到10 kV 側為20.65 kA，此故障電流值小于110 kV 最小短路電流，大于10 kV 最大短路電流，從而可判斷故障點在35 kV 側出線。于是我單位相關人員到煉鋼廠精煉爐現場配電室查看，發現2#精煉爐開關柜空開發生短路故障。

圖3 變電所一次系統簡圖

2.3 短路電流值大小有助于故障位置的判斷

武鋼電網復雜，且一條供電線路兩側分屬兩個不同單位管理的現象較普遍，由于故障信息不對稱和管理責任劃分問題，給故障原因查找帶來諸多困難，而借助計算短路電流大小的手段，判斷故障位置不失為一種較好的選擇，節約了故障查找的時間。

3 短路電流在保護誤動作判斷中的應用

3.1 事故經過

2009 年7 月某日，圖3 中的總降變電所2#主變35 kV 側送2#精煉爐線路精煉爐側發生短路故障，饋線保護未來得及動作時，總降2#主變保護裝置P633 差動速斷保護動作，導致2#主變差動保護動作跳閘。

3.2 保護動作原因分析

事故后檢查發現2#主變35 kV 側送2#精煉爐開路外部發生短路故障，故障電流達6.9 kA，達到動作電流值，但本側開關未跳閘，而越級至2#主變差速斷保護動作跳閘。

通過短路電流大小可以判斷，故障點在35 kV側配出，由于負荷側過流保護動作延時時間0.4 s未達到，上級2#主變差動保護瞬時先動作，故2#主變發生穿越性故障，比例差動未能有效閉鎖，差動保護屬于誤動作。

經仔細對故障錄波圖進行分析，初步判斷為變壓器中壓側CT在外部短路故障時發生飽和，使差動電流達到差動速斷保護定值，從而導致差動保護動作。圖4為P633保護故障錄波。

圖4 P633差動保護動作錄波（中壓側A相和C相具有典型飽和特征）

從圖4 中可以看出中壓側A 相和C 相（5 和7 通道）具有典型飽和特征。因此，這是一起典型的因保護定值選擇不當造成的且無法躲過穿越性故障的事故。

3.3 解決方案

差動保護是變壓器或者線路的主保護，保護動作的正確性直接影響到企業的安全生產，因此，差動保護的可靠性尤為重要，區外故障或穿越性故障必須閉鎖保護不動作。

現場主變壓器中壓側電流互感器（CT)變比1000/5，更換變比2000/5 以保證外部故障時CT 不飽和，更換后至今，再未發生區外故障變壓器差動保護誤動的情況。

4 結束語

短路電流計算主要為設備選型、繼保定值、設計等工作提供依據，本文通過短路電流計算在穿越性疑難故障和故障點不易判斷的事故原因分析中的應用，證明了短路電流計算在電力系統事故分析中亦發揮著重要作用。