一起工礦企業供電系統短路電流超標案例計算分析

摘 要：工礦企業中的用電負荷中存在大量的電動機負載，且隨著近些年裝置規模的逐漸增大，電動機負載在供電中壓系統中的占比顯著增加，也促使企業中壓系統容量不斷擴大，主變壓器從常見的16 MVA增加到31.5 MVA甚至50 MVA。此時，系統的短路電流就成為限制系統無限制擴容的最大阻力。隨著電動機能耗等級要求的不斷提高，這一問題更加凸顯。鑒于此，通過實際案例分析計算，來分析產生這一問題的原因。

關鍵詞：最大運行方式；短路電流；中壓系統；案例分析

中圖分類號：TM713" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）23-0019-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.23.004

0" " 引言

本文要討論的是一套主變壓器容量為31.5 MVA的雙回路供電系統，理論上在功率因數控制在0.95的情況下，可以承載約29.9 MW的有功功率；可是在裝置擴容設計過程中，卻連28 MW的負荷都無法承擔，原因是中壓系統短路電流超標。下文通過對短路電流的計算，分析短路電流升高的原因，并提出提高供電系統帶負載能力的解決方案。

1" " 供電系統介紹

該企業為危險化工生產企業，其大部分負荷為一、二級重要負荷，因此為滿足安全要求，采用雙重電源供電。示意圖如圖1所示，供電系統進線為兩路110 kV電源，各帶一段母線，每段母線各帶一臺31.5 MVA主變。110 kV母線形式為雙回路供電，單母線分段運行，母聯備自投。變壓器為雙繞組有載調壓變壓器，變壓器阻抗電壓分別為11.61%和11.77%，按照設計要求，正常生產期間變壓器負荷率不得超過50%，即當一臺變壓器出現故障時，另一臺變壓器可以帶全部負荷正常生產。

裝置區內共設有三座6 kV站，其中一座位于主變壓器二次側，是總降壓變電站的6 kV站點；另外兩座分別是Ⅰ工段和Ⅱ工段的6 kV變電站，由總變電站6 kV變電所供電。三個站點6 kV母線形式均為雙回路供電，單母線分段運行，母聯備自投。站點之間距離不超過400 m，且均為交聯銅電纜連接。站點與各用電設備之間距離在300 m以內，同樣均為交聯銅電纜連接。三個站點的6 kV斷路器額定分段電流均為40 kA。受篇幅限制，圖1中將6 kV母線簡化成兩段，也便于后續計算。

Ⅰ工段和Ⅱ工段下各設一座低壓變電所，均配備兩臺2 500 kVA的低壓變壓器。低壓變電所母線形式均為雙回路供電，單母線分段運行，母聯備自投。圖1中未對低壓變電所做過多描繪，一并算作現場用電設備。

目前裝置中滿負荷正常生產期間用電有功功率約為28 MW，中壓系統用電設備中除4臺低壓變壓器外均為異步電動機設備。其中，低壓變壓器為滿足雙回路要求，負荷率在50%以下。中壓系統異步電動機功率范圍涵蓋200～5 900 kW，正常運行時負荷率在80%～90%，電動機總體運行負荷占總負荷的90%以上。短路電流超標的情況出現在中壓系統，此時系統的最大運行方式為：110 kV母聯斷開解備，一條110 kV進線帶一臺主變運行，6 kV和0.4 kV系統母聯閉合，一條進線帶全站運行。整個供電系統由一臺主變帶全部負荷運行。

2" " 短路電流計算

本次要計算的是最大運行方式下6 kV母線K點短路電流，用于確定系統運行時的短路上限，幫助判定供電系統硬件配置容量是否合適。本次不再計算最小運行方式下的短路電流，不考慮繼電保護動作靈敏度的問題。

計算的主要依據是IEC法[1]中三相短路電流的計算方法，因為最大短路電流不會發生在單相接地以及兩相短路期間。最大短路電流的計算原則包含以下方面：

1）最大短路電流系數cmax取值1.10，短路時系統電壓為cmax，Un為系統額定電壓；

2）考慮饋電網絡可能的最大貢獻，110 kV饋電網卡可以按照無窮大來考慮，因此110 kV電網系統不會對短路電流造成限制；

3）化工工業電網系統要考慮低壓異步電動機的影響；

4）計算最大短路電流時要考慮中壓異步電動機的影響；

5）系統連接采用交聯銅電纜，且距離較近，線路電阻RL小，忽略不計。

第一步，計算單饋入短路阻抗。

計算變壓器相關參數：根據ZT=·計算主變壓器阻抗[2]，式中UrT為變壓器額定電壓，SrT為變壓器額定容量，ukr為阻抗電壓。根據RT=計算主變壓器電阻，式中PkrT為變壓器負載損耗，IrT為變壓器額定電流。根據XT=計算主變壓器電抗。代入變壓器參數可得ZT為0.146 3 Ω，RT為0.005 4 Ω，XT為0.146 2 Ω。

計算變壓器校正系數：根據KT=·計算變壓器校正系數，式中Ub為短路前最高運行電壓，xT=XT/

，Ib T為短路前最高運行電流，φb T為短路前功率因數角。代入數據可得KT=1.085 4。

計算單饋入短路阻抗：根據式ZTK=KT·ZT計算變壓器修正阻抗得ZTK=0.158 8 Ω。

第二步，計算饋線提供的短路電流。

代入I ″ k=cmax可得三相短路電流，代入數據經計算饋線提供短路電流為25.2 kA。

第三步，驗證低壓異步電動機對短路電流的影響。

當不等式≤0.8/

-0.3成立時可忽略低壓異步電動機對中壓系統的短路電流貢獻。式中∑PrM為需要考慮的低壓電動機功率之和，∑SrT為給電動機供電的變壓器容量之和，c為電壓系數，取1.10，UnQ為變壓器一次側系統標稱電壓，I ″ kQ為忽略電動機時變壓器一次側對稱短路電流初始值。經統計，四臺低壓變壓器中單臺負載最大負荷588 kW，代入數據可得不等式兩邊為0.28≤3.33，不等式成立，則不考慮低壓側異步電動機對中壓系統短路電流的影響。

第四步，計算中壓異步電動機對短路電流的影響。

根據公式，單臺異步電動機三相短路電流初始值為I ″ k3M=cmax，其中ZM為電動機阻抗，計算值為ZM=·，式中UrM為電動機額定電壓，與Un相等，IrM為電動機額定電流，ILR/IrM為轉子堵轉電流與電動機額定電流之比（由電動機本身特性決定，當前運行的電動機在6～7之間，這里取6.6）。將ZM代入等式簡化后可得，I ″ k3M=cmax·（ILR/IrM）·IrM。將裝置中電動機額定電流代入式中，可得裝置中所有電動機提供的三相短路電流∑I ″ k3M=19.5 kA。

應當注意到，異步電動機的反饋電流與電動機的轉子堵轉電流正相關，隨著國家對電動機能耗水平的要求越來越高，電動機轉子堵轉電流比值越來越高，有些已經趨近于10，因此在一級能耗等級電動機應用較多的企業更加應該引起對短路電流的重視。

合計第二步和第四步得出中壓系統最大運行方式下短路電流為44.7 kA。

通過ETAP簡化建模潮流分析（圖2）驗證與計算結果基本一致。

結論：中壓系統短路電流超過中壓斷路器額定分段電流40 kA，供電系統存在安全隱患[3]。

3" " 供電系統優化建議

1）禁止母聯合閘，并將運行負荷均勻分配在兩段母線下，進而均勻分配電動機的反饋電流，使單獨每段的短路電流達標。該運行方式雖然限制了短路電流，但卻影響了整個供電系統的雙回路供電可靠性。

2）使用大分段能力的斷路器。可選擇將整個中壓系統斷路器更換成50 kA分段能力的斷路器。該方法雖然沒有限制短路電流，但做到了整個供電系統容量的匹配。該方法需要一定的資金投入，且對斷路器的質量提出了較高的要求。

3）加限流電抗器與高速開關的組合。可以采用在變壓器二次側增加限流電抗器與爆炸橋高速開關并聯的限流措施。由于限流電抗器的體積相對較大，在改造項目中應用的話，就要求原變電站有較大的預留空間，否則通過母線連接也是一筆可觀的費用。

4）更換高阻抗變壓器。可以將現有低阻抗變壓器更換為高阻抗變壓器。該方案中原有變壓器的處理相對比較麻煩，且高阻抗變壓器在后期的使用中負載損耗相對更高，運行經濟性不如低阻抗變壓器。

5）更換為多個小變壓器。該方案中原有變壓器的處理依然較為麻煩，且多臺變壓器均要接到110 kV母線上，增加了供電系統結構的復雜性，還要考慮到110 kV母線的形式，國標要求6回路以上應采用雙母線，110 kV系統的雙母線成本相對較高。

6）對于新建裝置可以考慮用10 kV中壓系統代替6 kV中壓系統，從而在增加系統容量的同時有效控制短路電流，且同等負載狀態下10 kV系統線路損耗小于6 kV系統，因而具有更加優秀的節能降耗效果。

以上建議優劣勢不一而足，僅供有相關需求的企事業單位參考。

[參考文獻]

[1] 李明，孫晶晶.GB/T 15544短路電流計算與實用短路計算比較分析[J].電氣應用，2019，38（9）：47-51.

[2] 楊立斌.主變壓器低壓側10 kV相間短路故障分析及短路電流抑制[J].氯堿工業，2020，56（2）：5-7.

[3] 蘭洲.電力系統短路電流估算及斷路器選擇[J].電世界，2023，64（6）：28-35.

收稿日期：2024-08-06

作者簡介：謝向楠（1984—），男，河北吳橋人，工程師，研究方向：工廠供電、電機拖動。

張嘉煜（1984—），男，河北撫寧人，工程師，研究方向：供電系統、電力安全。