供配電系統中的短路電流分析及保護措施研究

摘要：供配電系統中的短路電流是影響系統安全運行的關鍵因素之一。從短路電流的基本概念出發，分析了其產生的原因和危害性。通過理論計算、仿真軟件和實測方法對短路電流進行了全面分析，探討了供配電系統中短路電流的影響因素，包括系統參數、變壓器阻抗、線路長度等。針對短路電流，研究了斷路器、繼電保護裝置、限流電抗器、熔斷器等多種保護措施，并通過典型案例深入分析了短路故障的成因與處理措施，為供配電系統的短路保護提供了參考依據。

關鍵詞：供配電系統""短路電流""配電網""繼電保護

Study"on"the"Protection"Measures"and"Analysis"of"Short-Circuit"Current"in"the"Power"Supply"and"Distribution"System

BAI"Xuesong

China"Oilfield"Services"Co.，"Ltd.，"Tianjin，"300450"China

Abstract："The"short-circuit"current"in"the"power"supply"and"distribution"system"is"one"of"the"key"factors"affecting"the"safe"operation"of"the"system."Starting"from"the"basic"concept"of"short-circuit"current，"it"analyses"the"causes"and"hazards"ofnbsp;its"generation."Through"theoretical"calculation，"simulation"software"and"measurement"method，"a"comprehensive"analysis"of"short-circuit"current"was"conducted，"the"influencing"factors"of"short-circuit"current"in"the"power"supply"and"distribution"system，"including"system"parameters，"transformer"impedance，"line"length"are"discussed."In"view"of"short-circuit"current，"this"paper"studies"a"variety"of"protection"measures"such"as"circuit"breaker，"relay"protection"device，"current"limiting"reactor"and"fuse，"and"deeply"analyzes"the"causes"and"treatment"measures"of"short-circuit"fault"through"typical"cases，"which"provides"a"reference"for"short-circuit"protection"in"power"supply"and"distribution"system.

Key"Words："Power"supply"and"distribution"system;"Short-circuit"current;"Distribution"network;"Relay"protection

在供配電系統的運行中，短路故障是常見且危害性極大的問題。短路電流的產生不僅會導致設備損壞，還會引發大范圍的電力系統中斷。隨著供配電系統的日益復雜化，短路電流分析及其保護措施的研究顯得尤為重要。短路電流分析可幫助設計合理的保護裝置，確保系統的穩定性和安全性。本文首先介紹了供配電系統中短路電流的基本概念，其次詳細闡述了短路電流的分析方法，包括理論計算、仿真軟件和實測方法，并分析了系統參數、變壓器阻抗、線路長度等對短路電流的影響[1]。

1供配電系統中短路電流的基本概念

1.1短路電流的定義與分類

短路電流是指在供配電系統中，由于設備故障、操作失誤、絕緣破壞、外力損壞等原因，造成電流不能按照預定路徑流動，形成低阻抗回路，導致電流急劇增大的現象[2]。根據故障的性質，短路電流可以被分類為三相短路、兩相短路與單相接地短路。三相短路就是三相線路一次短路時電流最大、危害最嚴重的現象。兩相短路多見于高壓線路，其危害程度通常僅次于三相短路。單相接地短路在中性點接地供配電系統普遍存在，如果不能及時處理，還可能導致設備受損，系統運行中斷[1]。具體短路電流類型與特征如表1所示。

1.2短路電流的產生原因

短路電流主要是由設備絕緣故障造成，如電纜、變壓器、開關設備絕緣性能的降低會誘發短路等；外力破壞（如自然災害）、施工損壞使線路破裂、接地而構成短路回路；操作失誤或設備老化都會造成誤操作造成短路事故；供配電系統的不合理設計或不合格的安裝質量也會造成短路。

1.3短路電流的危害性

短路電流對供配電系統的危害主要體現在多個方面。短路電流遠遠超過正常運行電流，可能導致電纜、變壓器等設備過熱，甚至燒毀，從而造成設備損壞。短路故障通常會引發供配電系統的運行中斷，導致大范圍的停電，影響電力供應的穩定性。短路電流可能引起電壓波動和頻率失衡，降低整個電力系統的穩定性，進而引發系統級的連鎖故障。短路電流產生的高溫也會增加火災風險，特別是在密閉的配電環境中，火災的發生率更高，危險性也更大。短路電流可能會產生電弧，這不僅對設備有害，還可能對操作人員的人身安全構成直接威脅。

2供配電系統短路電流的分析方法

2.1理論計算分析方法

理論計算是短路電流分析中常用的方法，主要基于供配電系統的參數，如電源電壓、線路阻抗、變壓器阻抗等，通過電工理論和電路定律來計算短路電流的大小[3]。常用的方法包括對稱分量法、標幺值計算法等。在理論計算中，短路電流通常可以通過以下公式進行估算。

式（1）中：Isc為短路電流的大小；Un為系統的額定電壓；Zs為系統的總阻抗，包括線路阻抗和變壓器阻抗。式（1）基于簡單供配電系統中的參數，通過對電源電壓和系統阻抗的比值進行計算，可以得到短路電流的大小。雖然這種計算方式適用于初步估算，但在實際復雜系統中，還需要進一步考慮其他影響因素。這種方法適用于簡單系統的短路電流計算，可以提供初步的估算數據，有助于選取合適的保護裝置和設備參數。

2.2仿真軟件分析方法

隨著計算機技術的發展，電力系統仿真軟件（如PSCAD、ETAP、PowerFactory等）成為短路電流分析的有效工具。通過建立系統的數學模型，將供配電系統的各類元件和線路參數輸入仿真軟件，可以模擬不同類型短路故障的發生，得到準確的短路電流數據[4]。仿真分析可以考慮系統的非線性因素、復雜的網絡拓撲和動態過程，是目前電力系統短路電流分析的主要手段。

2.3短路電流實測方法

實測方法是通過實際運行中對短路電流進行監測和記錄，以獲取最真實的數據[5]。利用高精度電流傳感器與監測設備實現電力系統各種運行條件下短路電流測量有利于校驗理論計算與仿真結果精度。雖然實測方法受限于現場條件且費用昂貴，但是對供配電系統運行維護有重要的指導作用，也是短路電流問題研究不可或缺的環節。

3供配電系統短路電流的影響因素

3.1系統參數對短路電流的影響

在供配電系統中，電源電壓、系統阻抗等參數會直接決定短路電流的幅度。高電壓等級供配電系統由于電源供電越強，一般短路電流越大，而線路內部電氣阻抗比較低。發電機、變壓器阻抗還決定短路電流極大值。系統參數設計是否合理直接影響供配電系統能否平穩運行、短路電流是否可控。

3.2變壓器短路阻抗的影響

變壓器是供配電系統中的核心設備，其短路阻抗對短路電流具有明顯的影響。短路阻抗越大，系統的短路電流越小，反之則越大。選擇適當的變壓器短路阻抗是抑制短路電流的有效途徑。為了限制短路電流，供配電系統通常會選用較高阻抗的變壓器，同時也需要在設計時考慮變壓器阻抗對電壓質量和系統效率的影響。在供配電系統中，變壓器短路阻抗的選取直接影響短路電流的大小。圖1是變壓器短路阻抗與短路電流之間的關系數據，基于一臺容量為1"000"kVA、額定電壓為10"kV的變壓器進行分析。

從圖1數據可以看出，隨著變壓器短路阻抗的增加，短路電流顯著降低。例如，當短路阻抗由5%增加到10%時，短路電流從11.5"kA降至5.8"kA。這說明在系統設計中，選擇較高短路阻抗的變壓器是限制短路電流的有效措施。雖然短路阻抗的提高能夠降低短路電流，但可能會影響變壓器的電壓調節性能與系統效率，因此，在實際應用中需綜合考慮。

4供配電系統短路電流的保護措施

4.1斷路器的選擇與配置

斷路器是供配電系統使用最多的短路保護裝置之一。從系統短路電流結果來看，選擇適當的斷路器容量與分斷能力是保證供配電系統安全的關鍵。斷路器配置需要綜合考慮短路電流峰值和持續時間，以保證系統在短路情況下快速切斷故障回路并保護裝置不受損壞。對不同電壓等級供配電系統應選擇相應標準的高、低壓斷路器。

4.2繼電保護裝置的設置

繼電保護是短路電流保護的重要手段，通過監測系統電流、電壓等參數，在發生短路故障時自動動作，切除故障區域。常用的繼電保護裝置包括過電流保護、距離保護、差動保護等。過電流保護是最基本的短路保護方式，適用于中低壓配電系統；距離保護適用于高壓輸電線路，能夠準確定位故障點；差動保護主要用于變壓器和母線的短路保護，具有較高的靈敏度。

5典型供配電系統短路故障案例分析

在某城市配電網中，由于設備老化引發的單相接地短路事故，導致大面積停電。此次事故影響了全市約40%的區域，共涉及15個居民區和5個工業區，停電影響范圍超過12"km2，造成約8萬戶居民和500家企業斷電。事故發生后，繼電保護系統及時動作，切除了故障區域，避免了事故的進一步擴大。

通過對事故原因的分析，發現配電網中某段長度約為3.5"km的電纜絕緣性能下降，絕緣電阻值已低于5"MΩ，遠遠低于標準值（通常要求至少在20"MΩ以上），最終引發短路。針對該情況，采取了更換電纜、升級繼電保護裝置等措施。更換的新電纜采用了高性能絕緣材料，絕緣電阻值達到50"MΩ以上。

6結語

對供配電系統短路電流進行分析并對其防護措施進行研究是確保電力系統安全平穩運行的重點所在。通過闡述短路電流基本概念、分析方法與影響因素，突出短路電流在供配電系統中危害。根據不同系統場景分別給出斷路器，繼電保護與限流電抗器的各種防護措施，最后根據實際案例討論短路故障產生原因與應對策略，對供配電系統規劃和故障處理具有重要的借鑒意義。

參考文獻

[1]馬鑫，李宏強，呂思卓，等.大規模構網型儲能集中接入對短路電流的影響分析[J].浙江電力，2024，43（9）：58-66.

[2]李天宇，鄭博.10"kV中壓系統三相短路電流算例計算分析[J].科技與創新，2024（17）：128-130.

[3]PEREIRA"S"A，GALEAZZI"D，SILVA"E"G"H"R，et"al.Analysis"of"the"effect"of"current"pulse"in"the"short-circuit"phase"on"metal"transfer"in"the"GMAW"process"with"dynamic"feeding[J].Journal"of"the"Brazilian"Society"of"Mechanical"Sciences"and"Engineering，2024，46（9）：534.

[4]郄鑫，文韜，韓彬，等.考慮變電站內接線和拓撲瞬態調整的斷路器短路電流分析[J].電力建設，2024，45（7）：113-121.

[5]葉中飛，王棟，張力，等.±800"kV輸電線路短路電流分析及間隔棒安全狀況評估[J/OL].電測與儀表，1-8[2024-09-27].https：//kns.cnki.net/kcms2/article/abstract？v=acR2UJ02YhSOYjLUm4zIemZk1SA8OxN-waScGD6Wqj8Bi5z0x0YeVzaPyXdxC8Ta5siQ1CL9tJ9VBga1b_J2QBXkdyQMzfhILkP_twiGkTUYC1PI1d6A0GpTVyVtoJkpw8RzYbj4rjDT5toBSwWcNpTBU6te9JPVEAr9t0e5IE8GgpiG6-pJHIGRGs-PqCzgamp;uniplatform=NZKPTamp;language=CHS.