短路電流計算在電力系統(tǒng)事故分析中的應(yīng)用

熊友紅，邱軍，趙建剛，程剛，鄔守鑫

（武鋼有限公司能源環(huán)保部，湖北武漢 430081）

引言

武鋼作為大型鋼鐵企業(yè)，內(nèi)部輸配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，供電系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)工序分區(qū)域管理，這種運(yùn)行管理模式時常帶來事故信息不對稱，故障點(diǎn)不易判斷的困難，特別是電力系統(tǒng)發(fā)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(diǎn)可能的位置，并作為一種有效手段應(yīng)用于實(shí)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(tǒng)事故分析中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 負(fù)荷側(cè)故障引起母線差動保護(hù)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(fù)荷側(cè)發(fā)生B、C兩相瓷瓶閃絡(luò)短路故障，導(dǎo)致10 kV II 段母線不完全母線差動速斷保護(hù)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(fù)荷側(cè)故障引起該段母線差動保護(hù)動作跳閘，造成一段母線失電的擴(kuò)大性事故。

1.1 事故經(jīng)過

2018 年6 月9 日，武鋼電力系統(tǒng)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(fā)生B、C 兩相瓷瓶閃絡(luò)短路故障，導(dǎo)致B、C 相瓷瓶燒毀。10 kV 配出三燒2#線的過流保護(hù)和10 kV II 段母線的差動速斷保護(hù)均發(fā)出啟動信號，由于三燒2#線過流保護(hù)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(hù)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(tǒng)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(fā)現(xiàn)，在三燒2#線出線限流電抗器末端發(fā)生BC相間短路故障之前300 ms時，先發(fā)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(fā)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(dá)13.2 kA，BC相間故障電壓達(dá)3.93 kV。經(jīng)仔細(xì)查找，在三燒2#線電抗器室內(nèi)查找到了短路點(diǎn)，該短路點(diǎn)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(tǒng)圖

1.3 短路電流的計算

不難發(fā)現(xiàn)，若配出線路電抗器下端故障，則故障點(diǎn)不在10 kV II 段母線差動保護(hù)范圍內(nèi)，區(qū)外故障母差保護(hù)不應(yīng)該動作。為論證母差保護(hù)動作是否正確，結(jié)合武鋼電網(wǎng)上級系統(tǒng)阻抗值和三燒2#線電抗器設(shè)備參數(shù)，對配出線路短路電流、母線殘壓以及母差保護(hù)的定值進(jìn)行核算。

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

已知總降變電所110 kV 系統(tǒng)等值阻抗0.0355；主變壓器容量50 MVA，短路電壓10.5%，折算基準(zhǔn)條件下的電抗標(biāo)幺值為0.21；10 kV 配出線路三燒2#線電抗器型號規(guī)格XKGKL-10.5-1500-8，額定電流1500 A,百分電抗8%，折算基準(zhǔn)條件下的電抗標(biāo)幺值為0.279。10 kV 配出三燒2#線系統(tǒng)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(xiàn)的最低母線殘壓（線電壓）為：

1.4 數(shù)據(jù)分析

從計算結(jié)果數(shù)據(jù)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(shí)際BC 相間短路的短路電流達(dá)13.2 kA；10 kV II 段母線殘壓計算值為5.6 kV，實(shí)際II段母線殘壓為3.93 kV，故三燒2#線電抗器二次污閃導(dǎo)致了電抗器一次閃絡(luò)放電，故障點(diǎn)發(fā)展到母差保護(hù)范圍內(nèi)，母差保護(hù)動作正確。

2 電力系統(tǒng)電壓波動設(shè)備無異常時故障點(diǎn)的查找

2.1 事故經(jīng)過

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

2.2 故障點(diǎn)查找分析

2#精煉爐電壓等級35 kV，由110 kV 2M 經(jīng)2#主變送電，CT 變比600/5，過流31 A/0.8 s。由保護(hù)裝置讀出，保護(hù)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(hù)正確動作。通過對總降變電所各級系統(tǒng)短路電流大小的計算，110 kV 側(cè)最小短路電流理論值是11.5 kA，35 kV 側(cè)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(cè)為1.88 kA，折合到10 kV 側(cè)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(diǎn)在35 kV 側(cè)出線。于是我單位相關(guān)人員到煉鋼廠精煉爐現(xiàn)場配電室查看，發(fā)現(xiàn)2#精煉爐開關(guān)柜空開發(fā)生短路故障。

圖3 變電所一次系統(tǒng)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(wǎng)復(fù)雜，且一條供電線路兩側(cè)分屬兩個不同單位管理的現(xiàn)象較普遍，由于故障信息不對稱和管理責(zé)任劃分問題，給故障原因查找?guī)碇T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(jié)約了故障查找的時間。

3 短路電流在保護(hù)誤動作判斷中的應(yīng)用

3.1 事故經(jīng)過

2009 年7 月某日，圖3 中的總降變電所2#主變35 kV 側(cè)送2#精煉爐線路精煉爐側(cè)發(fā)生短路故障，饋線保護(hù)未來得及動作時，總降2#主變保護(hù)裝置P633 差動速斷保護(hù)動作，導(dǎo)致2#主變差動保護(hù)動作跳閘。

3.2 保護(hù)動作原因分析

事故后檢查發(fā)現(xiàn)2#主變35 kV 側(cè)送2#精煉爐開路外部發(fā)生短路故障，故障電流達(dá)6.9 kA，達(dá)到動作電流值，但本側(cè)開關(guān)未跳閘，而越級至2#主變差速斷保護(hù)動作跳閘。

通過短路電流大小可以判斷，故障點(diǎn)在35 kV側(cè)配出，由于負(fù)荷側(cè)過流保護(hù)動作延時時間0.4 s未達(dá)到，上級2#主變差動保護(hù)瞬時先動作，故2#主變發(fā)生穿越性故障，比例差動未能有效閉鎖，差動保護(hù)屬于誤動作。

經(jīng)仔細(xì)對故障錄波圖進(jìn)行分析，初步判斷為變壓器中壓側(cè)CT在外部短路故障時發(fā)生飽和，使差動電流達(dá)到差動速斷保護(hù)定值，從而導(dǎo)致差動保護(hù)動作。圖4為P633保護(hù)故障錄波。

圖4 P633差動保護(hù)動作錄波（中壓側(cè)A相和C相具有典型飽和特征）

從圖4 中可以看出中壓側(cè)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(hù)定值選擇不當(dāng)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(hù)是變壓器或者線路的主保護(hù)，保護(hù)動作的正確性直接影響到企業(yè)的安全生產(chǎn)，因此，差動保護(hù)的可靠性尤為重要，區(qū)外故障或穿越性故障必須閉鎖保護(hù)不動作。

現(xiàn)場主變壓器中壓側(cè)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(fā)生區(qū)外故障變壓器差動保護(hù)誤動的情況。

4 結(jié)束語

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