低压厂用系统单相接地故障电流ETAP仿真结果与短路电流计算曲线结果的对比

李 莹 裴善鹏 郭燕容

（1.山东电力工程咨询院有限公司，山东济南250013；2.华东电力设计院有限公司，上海200063）

0 引言

一个完备的保护配置系统，是发电厂发电机组能在故障时尽快消除异常状态、迅速恢复正常运行的可靠保证。其中，低压零序保护作为防御接地短路故障的有效防护措施，其保护配置一直以来都是发电厂电气设计工作中的重要部分。作为保护配置判定中重要的环节——单相接地故障电流的计算一直没有统一的标准，各计算方法间也没有系统的对比。

本文利用某百万千瓦电厂的实际厂用电系统，在ETAP仿真软件中进行仿真和短路电流计算，结合DL/T 5153—2014《火力发电厂厂用电设计技术规程》附录M《380 V动力中心短路电流实用计算法》和附录N《380 V系统短路电流计算曲线》的内容进行对比分析，得出二者结果之间的差异。

文献[1]中列出了不同变压器形式与容量、不同电缆材料与规格下单相接地故障电流计算曲线，免去了繁琐的短路电流计算过程，但该曲线查不到多根动力电缆并联的短路电流值，且在海外工程中得不到认可。

文献[4]介绍了IEC标准中单相接地故障电流的计算方法，IEC方法是国际上更加通用的计算方法，但计算复杂，可采用国际通用的ETAP等仿真软件进行仿真计算。

1 短路电流计算曲线

在DL/T 5153—2014《火力发电厂厂用电设计技术规程》中，给出了不同容量变压器在不同的Ud值时三相和单相短路电流和各种截面的电缆长度的关系曲线。

例如，图1为干式变压器容量为1 600 kVA（Ud=8%）时，380/220 V电动机回路单相短路电流和各种截面铜芯电缆长度的关系曲线。

2 ETAP仿真单相接地故障电流计算方法

ETAP软件由美国OTI公司开发，可以进行设计、仿真，进行发电、传输、配电和独立电力系统等方面的分析。

ETAP软件是以工程来管理工作的，可实现潮流计算、短路分析、继电保护配合、暂态稳定分析、电动机起动分析、谐波分析、可靠性评估、优化潮流、设备参数评估等工作。本文针对短路分析模块进行研究。ETAP短路分析模块中短路电流的计算方法采用IEC标准，其中低压网络单相接地故障电流的计算过程为：

图1 380 V系统短路电流计算曲线示例

式中，Un为低压系统线电压（V）；c为电压系数，取1；R（1）、R（2）、R（0）为正负零序电阻（mΩ）；X（1）、X（2）、X（0）为正负零序电抗（mΩ）；Z（1）、Z（2）、Z（0）为正负零序阻抗（mΩ）；Rphp、Xphp、Zphp为相保电阻、电抗、阻抗（mΩ），相保电阻和相保电抗考虑变压器计算阻抗、回路导体阻抗、设备接触电阻和零回路中阻抗。

3 ETAP仿真结果与查询短路电流计算曲线结果对比

本模型以某百万千瓦电厂为依托，在该厂厂用电系统的基础上作了一定的简化处理。下面对模型中四条典型线路单相接地故障的仿真结果与短路电流计算曲线结果进行比较。

3.1 水务中心MCCA段

（1）干式变压器容量：2 500 kVA；（2）电缆材料：铜芯；（3）电缆长度：36 m；（4）电缆截面：3×95 mm2。

ETAP仿真结果如图2所示。

图2 水务中心MCCA段单相接地故障仿真结果

由变压器提供的故障电流IE=8.83 kA。

短路电流计算曲线查得的故障电流如图3所示，IB=7.8 kA。

图3 干式变压器容量为2 500 kVA（Ud=8%）时，380/220 V电动机回路单相短路电流和各种截面铜芯电缆长度的关系曲线1

通过对比可得IE＞IB。

3.2 输煤综合楼MCCB段

（1）干式变压器容量：2 500 kVA；（2）电缆材料：铜芯；（3）电缆长度：150 m；（4）电缆截面：3×150 mm2。

ETAP仿真结果如图4所示。

由变压器提供的故障电流IE=0.887 kA。

短路电流计算曲线查得的故障电流如图5所示，IB=0.72 kA。

通过对比可得IE＞IB。

3.3 汽机MCCA段

（1）干式变压器容量：1 600 kVA；（2）电缆材料：铜芯；（3）电缆长度：20 m；（4）电缆截面：2×（3×185）mm2。

ETAP仿真结果如图6所示。

由变压器提供的故障电流IE=12.92 kA。

短路电流计算曲线查得的故障电流如图7所示，由于多根并联对单相接地故障电流影响并不大，因此IB=11.1 kA。

通过对比可得IE＞IB。

图4 输煤综合楼MCCB段单相接地故障仿真结果

图5 干式变压器容量为2 500 kVA（Ud=8%）时，380/220 V电动机回路单相短路电流和各种截面铜芯电缆长度的关系曲线2

图6 汽机MCCA段单相接地故障仿真结果

3.4 锅炉保安MCCA段

（1）干式变压器容量：1 600 kVA；（2）电缆材料：铜芯；（3）电缆长度：50 m；（4）电缆截面：3×150 mm2。

ETAP仿真结果如图8所示。

由变压器提供的故障电流IE=5.99 kA。

短路电流计算曲线查得的故障电流如图9所示，IB=4.99 kA。

通过对比可得IE＞IB。

图7 干式变压器容量为1 600 kVA（Ud=8%）时，380/220 V电动机回路单相短路电流和各种截面铜芯电缆长度的关系曲线1

图8 锅炉保安MCCA段单相接地故障仿真结果

图9 干式变压器容量为1 600 kVA（Ud=8%）时，380/220 V电动机回路单相短路电流和各种截面铜芯电缆长度的关系曲线2

4 结语

通过对比多次仿真结果可得出ETAP仿真所得的单相接地故障电流值普遍比短路电流计算曲线值稍大，约为计算曲线的1.2倍，如表1所示。

表1 两种计算结果对比表

这是因为短路电流计算曲线为计算数据，接近理想状况下的短路电流值，而ETAP仿真综合考虑了系统的运行状况、物理接地方式、电缆敷设方式及运行温度等的影响，因此更接近实际的短路电流值。

[1]火力发电厂厂用电设计技术规程：DL/T 5153—2014[S].

[2]大中型火力发电厂设计规范：GB 50660—2011[S].

[3]贺家李，李永丽，董新洲，等.电力系统继电保护原理[M].4版.北京：中国电力出版社，2010.

[4]中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册[M].3版.北京：中国电力出版社，2005.

[5]水利电力部西北电力设计院.电力工程电气设计手册 电气一次部分[M].北京：中国电力出版社，1989.

[6]王春江.电线电缆手册[M].北京：机械工业出版社，2001.