短路电流计算在电力系统事故分析中的应用

熊友红，邱军，赵建刚，程刚，邬守鑫

（武钢有限公司能源环保部，湖北武汉 430081）

引言

武钢作为大型钢铁企业，内部输配电系统结构十分复杂，供电系统根据生产工序分区域管理，这种运行管理模式时常带来事故信息不对称，故障点不易判断的困难，特别是电力系统发生的疑难故障。为了缩短故障查找时间，我们采取分析计算短路电流的方法，推断故障点可能的位置，并作为一种有效手段应用于实际工作中。本文用三个典型案例对短路电流计算在电力系统事故分析中的应用进行详细阐述。

1 负荷侧故障引起母线差动保护动作

110 kV总降变电所10 kV II段母线上配出线路由于限流电抗器末端负荷侧发生B、C两相瓷瓶闪络短路故障，导致10 kV II 段母线不完全母线差动速断保护动作，使变电所10 kV II 段母线全停电。此次事故由配出线路负荷侧故障引起该段母线差动保护动作跳闸，造成一段母线失电的扩大性事故。

1.1 事故经过

2018 年6 月9 日，武钢电力系统某110 kV 总降变电所10 kV II 段母线4M 配出线路送三烧2#线出线限流电抗器末端发生B、C 两相瓷瓶闪络短路故障，导致B、C 相瓷瓶烧毁。10 kV 配出三烧2#线的过流保护和10 kV II 段母线的差动速断保护均发出启动信号，由于三烧2#线过流保护有1.2 s的延时动作时限未出口，瞬动时限的10 kV II 段母线差动速断保护出口跳闸，造成总降变电所10 kV II 段母线全停电事故。总降变电所10 kV供电一次系统图如图1所示。

1.2 事故原因分析

观察总降变电所10 kVⅡ段母线故障电流电压录波图发现，在三烧2#线出线限流电抗器末端发生BC相间短路故障之前300 ms时，先发生了C相单相接地故障，10 kV II段母线C相电压最低降至234 V，A、B相电压则由之前正常时的6 kV升高至10.4 kV左右。随后发生了BC相间短路故障，B相短路电流12.82 kA，C相短路电流为12.12 kA，BC相间短路电流最高达13.2 kA，BC相间故障电压达3.93 kV。经仔细查找，在三烧2#线电抗器室内查找到了短路点，该短路点位于电抗器B相、C相支撑瓷瓶处。

图1 总降变电所10kV供电一次系统图

1.3 短路电流的计算

不难发现，若配出线路电抗器下端故障，则故障点不在10 kV II 段母线差动保护范围内，区外故障母差保护不应该动作。为论证母差保护动作是否正确，结合武钢电网上级系统阻抗值和三烧2#线电抗器设备参数，对配出线路短路电流、母线残压以及母差保护的定值进行核算。

采用标幺制计算，取基准容量Sj=100 MVA，10 kV 基准电压为Uj=10.5 kV，对应的基准电流Ij（A）=Sj/Uj=5.5 kA、基准阻抗Zj==1.103 Ω。

已知总降变电所110 kV 系统等值阻抗0.0355；主变压器容量50 MVA，短路电压10.5%，折算基准条件下的电抗标幺值为0.21；10 kV 配出线路三烧2#线电抗器型号规格XKGKL-10.5-1500-8，额定电流1500 A,百分电抗8%，折算基准条件下的电抗标幺值为0.279。10 kV 配出三烧2#线系统各元件短路阻抗如图2所示。

图2 总降变电所10 kV配出三烧2#线短路阻抗图

电抗器末端三相短路电流为：

故电抗器末端两相短路电流为：

10 kV 配出三烧2#线电抗器外部短路时可能出现的最低母线残压（线电压）为：

1.4 数据分析

从计算结果数据分析，限流电抗器末端三相短路最大故障电流计算值为10.6 kA，两相短路电流为9.2 kA，而实际BC 相间短路的短路电流达13.2 kA；10 kV II 段母线残压计算值为5.6 kV，实际II段母线残压为3.93 kV，故三烧2#线电抗器二次污闪导致了电抗器一次闪络放电，故障点发展到母差保护范围内，母差保护动作正确。

2 电力系统电压波动设备无异常时故障点的查找

2.1 事故经过

2018 年7 月18 日，某总降变电所110 kV 系统电压波动，2#主变压器后备保护启动，35 kV 4M配出炼钢2#精炼炉后备保护动作跳闸，故障电流达5.9 kA。检查变电所电气设备无异常。变电所一次系统简图如图3。

2.2 故障点查找分析

2#精炼炉电压等级35 kV，由110 kV 2M 经2#主变送电，CT 变比600/5，过流31 A/0.8 s。由保护装置读出，保护动作跳闸时故障电流为IA=5.85 kA、IB=5.9 kA、IC=5.81 kA，大于过流整定电流值31×600/5=3.72 kA，过流保护正确动作。通过对总降变电所各级系统短路电流大小的计算，110 kV 侧最小短路电流理论值是11.5 kA，35 kV 侧最小短路电流理论值是5.8 kA，10 kV 最大短路电流理论值是15.6 kA。而5.9 kA 短路电流折合到110 kV 侧为1.88 kA，折合到10 kV 侧为20.65 kA，此故障电流值小于110 kV 最小短路电流，大于10 kV 最大短路电流，从而可判断故障点在35 kV 侧出线。于是我单位相关人员到炼钢厂精炼炉现场配电室查看，发现2#精炼炉开关柜空开发生短路故障。

图3 变电所一次系统简图

2.3 短路电流值大小有助于故障位置的判断

武钢电网复杂，且一条供电线路两侧分属两个不同单位管理的现象较普遍，由于故障信息不对称和管理责任划分问题，给故障原因查找带来诸多困难，而借助计算短路电流大小的手段，判断故障位置不失为一种较好的选择，节约了故障查找的时间。

3 短路电流在保护误动作判断中的应用

3.1 事故经过

2009 年7 月某日，图3 中的总降变电所2#主变35 kV 侧送2#精炼炉线路精炼炉侧发生短路故障，馈线保护未来得及动作时，总降2#主变保护装置P633 差动速断保护动作，导致2#主变差动保护动作跳闸。

3.2 保护动作原因分析

事故后检查发现2#主变35 kV 侧送2#精炼炉开路外部发生短路故障，故障电流达6.9 kA，达到动作电流值，但本侧开关未跳闸，而越级至2#主变差速断保护动作跳闸。

通过短路电流大小可以判断，故障点在35 kV侧配出，由于负荷侧过流保护动作延时时间0.4 s未达到，上级2#主变差动保护瞬时先动作，故2#主变发生穿越性故障，比例差动未能有效闭锁，差动保护属于误动作。

经仔细对故障录波图进行分析，初步判断为变压器中压侧CT在外部短路故障时发生饱和，使差动电流达到差动速断保护定值，从而导致差动保护动作。图4为P633保护故障录波。

图4 P633差动保护动作录波（中压侧A相和C相具有典型饱和特征）

从图4 中可以看出中压侧A 相和C 相（5 和7 通道）具有典型饱和特征。因此，这是一起典型的因保护定值选择不当造成的且无法躲过穿越性故障的事故。

3.3 解决方案

差动保护是变压器或者线路的主保护，保护动作的正确性直接影响到企业的安全生产，因此，差动保护的可靠性尤为重要，区外故障或穿越性故障必须闭锁保护不动作。

现场主变压器中压侧电流互感器（CT)变比1000/5，更换变比2000/5 以保证外部故障时CT 不饱和，更换后至今，再未发生区外故障变压器差动保护误动的情况。

4 结束语

短路电流计算主要为设备选型、继保定值、设计等工作提供依据，本文通过短路电流计算在穿越性疑难故障和故障点不易判断的事故原因分析中的应用，证明了短路电流计算在电力系统事故分析中亦发挥着重要作用。