孟令柏

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司 電氣及自動化事業(yè)部， 北京 100038)

有色冶煉廠余熱電站接入系統(tǒng)短路電流的限制措施

孟令柏

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司 電氣及自動化事業(yè)部， 北京 100038)

針對有色冶煉廠余熱發(fā)電站接入系統(tǒng)可能導(dǎo)致接入變電站低壓側(cè)短路電流超標(biāo)的問題，通過對某一大型銅冶煉廠余熱發(fā)電站接入系統(tǒng)設(shè)計中短路電流校驗(yàn)計算，分析比較了各種限流措施的優(yōu)缺點(diǎn)，并最終選用經(jīng)濟(jì)有效、易于實(shí)施的限流措施，保證了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定和電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，為相關(guān)的工程設(shè)計提供參考。

余熱發(fā)電站；短路電流；限流電抗器；快速開斷限流裝置

0 引言

大中型有色金屬冶煉廠往往伴有大量余熱、高溫?zé)煔獾呐欧?，為了貫徹國家?jié)能、環(huán)保的基本方針，并提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，目前大部分新建冶煉廠都會將余熱發(fā)電站納入項目的總體規(guī)劃，老舊冶煉廠也陸續(xù)開展節(jié)能改造新上余熱發(fā)電系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對大量余熱的綜合循環(huán)利用。這些余熱電站以小型為主，余熱發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量一般為1～15 MW。在進(jìn)行余熱電站接入系統(tǒng)設(shè)計時，一般將發(fā)電機(jī)組所發(fā)的電能就近并入廠內(nèi)某區(qū)域中壓配電站或直接接入廠區(qū)的總降壓變電站的低壓側(cè)母線上，供廠內(nèi)消化。這種接入系統(tǒng)方式雖然具有變電環(huán)節(jié)少、投資省、損耗低等優(yōu)點(diǎn)，但是往往會帶來總降壓變電站低壓側(cè)及發(fā)電機(jī)出口母線短路電流超標(biāo)的問題。如何將短路電流限制在合理范圍內(nèi)，是余熱發(fā)電站接入系統(tǒng)設(shè)計中需要重點(diǎn)考慮的問題。本文通過對某大型銅冶煉廠余熱發(fā)電站接入系統(tǒng)設(shè)計中限制短路電流方案的比較，分析比較了各種限流措施的優(yōu)缺點(diǎn)，為相關(guān)的工程設(shè)計提供參考。

1 短路電流的限制措施

變電站低壓側(cè)短路電流主要取決于系統(tǒng)側(cè)主變壓器阻抗，發(fā)電機(jī)出口母線短路電流主要取決于發(fā)電機(jī)組的次暫態(tài)電抗。在實(shí)際工程設(shè)計應(yīng)用中，限制短路電流的措施大致有以下幾類[1-2]：

(1)變電站主變壓器低壓側(cè)分列運(yùn)行。這種方法簡單經(jīng)濟(jì)，但是限制了運(yùn)行方式，缺乏靈活性。

(2)變電站采用高阻抗變壓器。這種方案適合接入系統(tǒng)的變電站為新建變電站的情況，否則投資較高。

(3)變電站低壓側(cè)或發(fā)電站出線側(cè)加裝限流電抗器。這種方式雖然可以將短路電流限制在一定范圍內(nèi)，但是限流電抗器正常運(yùn)行時存在電能損耗大和電壓波動大的缺點(diǎn)。

(4)作為第(3)種方案的改進(jìn)，即采用限流電抗器和快速限流裝置并聯(lián)運(yùn)行的方式。正常運(yùn)行時，主回路電流基本全部從快速限流裝置流過，限流電抗器被旁路，從而避免了限流電抗器帶來的電能損耗和電壓波動。當(dāng)短路故障發(fā)生時，快速限流裝置迅速分?jǐn)?，將限流電抗器快速投入，使系統(tǒng)短路電流得到有效抑制。

(5)發(fā)電站出線側(cè)加裝大容量快速開斷限流裝置[3]。該裝置的原理是在短路瞬間接入熔斷器，由其在短時(5 ms)內(nèi)迅速開斷短路電流。該方式不采用電抗器，結(jié)構(gòu)簡單，由于其快速性，可先于斷路器快速切斷提供短路電流的電源支路，從而減小總的短路電流。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某大型銅冶煉廠進(jìn)行節(jié)能減排改造，新建30萬t/a富氧頂吹銅熔煉系統(tǒng)。該冶煉廠區(qū)內(nèi)已新建一座110 kV總降壓變電站，主變壓器容量2×40 MVA，采用10 kV系統(tǒng)向廠區(qū)內(nèi)配電。110 kV降壓站的主供電源采用雙回路供電，由當(dāng)?shù)仉娏υO(shè)計院設(shè)計。

為了利用熔煉系統(tǒng)產(chǎn)生的大量余熱,新建一座余熱發(fā)電站，安裝兩臺8 MW(10.5 MVA)飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)出口電壓10.5 kV。與10 kV系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)點(diǎn)在新建110/10 kV總降壓變電所10 kV系統(tǒng)的兩段母線上，每段10 kV母線各接一臺發(fā)電機(jī)。每回并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線路只允許一臺發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)使用,不允許兩臺同時并網(wǎng)使用。全廠10 kV系統(tǒng)用電負(fù)荷較大，可將發(fā)電機(jī)的電量全部消化，不向外電網(wǎng)饋出電能。上述系統(tǒng)主接線見圖1。

圖1 系統(tǒng)主接線圖

2.2 設(shè)備參數(shù)

系統(tǒng)電抗標(biāo)幺值：X*S=0.01649；

線路L1、L2的電抗標(biāo)幺值：X*L1=X*L2=0.00272；

主變參數(shù)：1#、2#主變壓器：SZ11-40000 kVA/110 kV，110±8×1.25%/10.5 kV,短路阻抗Ud=17%；

發(fā)電機(jī)參數(shù)：1#、2#發(fā)電機(jī)容量：SN=10.5 MVA；超瞬態(tài)電抗標(biāo)么值：X″*d%=18.3；

線路L3、L4：ZRYJV-8.7/10 kV，2(3×240) mm2，l=0.8 km，XL=0.0435 Ω/km。

2.3 短路電流水平校驗(yàn)

根據(jù)業(yè)主提供的110/10 kV總降壓變電站的系統(tǒng)參數(shù)，10 kV母線上的三相短路電流有效值I″=26.12 kA?？偨祲鹤冸娬緝?nèi)10 kV進(jìn)線開關(guān)的額定開斷電流為40 kA，10 kV出線開關(guān)的額定開斷電流為31.5 kA。

正常情況下，系統(tǒng)110 kV側(cè)和10 kV側(cè)均分列運(yùn)行。在不考慮110 kV側(cè)并列運(yùn)行的情況下，最大短路電流將發(fā)生在10 kV側(cè)母聯(lián)投入，兩臺發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)到一段10 kV母線運(yùn)行時，系統(tǒng)等值阻抗圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)等值阻抗圖

2.3.1 不采取限流措施

參考IEC60909標(biāo)準(zhǔn)計算，單臺發(fā)電機(jī)的短路次暫態(tài)電流有效值為3.47 kA，考慮到發(fā)電機(jī)短路產(chǎn)生沖擊系數(shù)較高(按照標(biāo)準(zhǔn)IEC60909取1.9計算)，峰值沖擊電流為9.32 kA(峰值)，沖擊電流有效值為5.60 kA。按短路次暫態(tài)電流有效值計，K1點(diǎn)的短路電流有效值為：

I″K1=26.12+2×3.47=33.06 kA>31.5 kA

(1)

式中I″K1—K1點(diǎn)的三相短路電流有效值，kA。

由公式(1)的結(jié)果可見，必須采取限流措施以保證總降壓變電所10 kV側(cè)短路電流滿足設(shè)備的開斷能力，確保設(shè)備的安全運(yùn)行。

2.3.2 采取限流措施

由于該110 kV總降壓變電站先于余熱發(fā)電站建成投運(yùn)，考慮到系統(tǒng)供電的可靠性和設(shè)備升級改造的成本，前述第(1)、(2)類限制短路電流的措施在本工程中不予考慮。下面分別對第(3)～(5)類限制短路電流的措施進(jìn)行比較討論。

方案一，在發(fā)電機(jī)出口，即圖2中的D2、D3處加裝限流電抗器(額定電流1500 A，12%)。電抗標(biāo)幺值X*K=0.419，此時K1點(diǎn)的短路電流有效值為：

I″K1=26.12+2×2.47=31.06 kA<31.5 kA

(2)

由公式(2)可見，在發(fā)電機(jī)出口加裝限流電抗器，總降壓變電站10 kV母線上的短路電流勉強(qiáng)可以限制在設(shè)備的開斷范圍內(nèi)，限流效果不明顯。

方案二，在主變壓器低壓側(cè)，即圖2中的D1處，加裝限流電抗器(額定電流3000 A，10%)[4]。電抗標(biāo)幺值X*K=0.175，此時K1點(diǎn)的短路電流有效值為：

I″K1=21.89+2×3.47=28.83 kA<31.5 kA

(3)

在由公式(3)可見，主變壓器低壓側(cè)加裝限流電抗器的限流效果十分明顯，可以滿足出口開關(guān)設(shè)備分?jǐn)嗄芰Φ囊?。但是這種方式有其固有的缺陷，由于電抗器一直串接在回路中，增大了電能損耗，同時也會影響供電電壓質(zhì)量。

方案三，為了克服方案二的缺陷，采取限流電抗器和快速限流裝置并聯(lián)運(yùn)行的方式。這種方案保留了同方案二相同的限流效果，可以滿足項目對短路電流的限制要求。但由于總降壓變電站在規(guī)劃初期未預(yù)留限流電抗器的位置，這種措施實(shí)施存在較大的難度。

方案四，在發(fā)電機(jī)出口，即圖2中的D2、D3處加裝大容量快速開斷限流裝置(額定電流2000 A,動作電流2 kA)。由于該裝置將發(fā)電機(jī)出口電流限制在2 kA以內(nèi)，故發(fā)生短路時K1點(diǎn)的短路電流有效值為：

I″K1=26.12 kA<31.5 kA

(4)

在由公式(4)的結(jié)果可見，這種限流方案可以滿足總降壓變電站10 kV側(cè)開關(guān)設(shè)備分?jǐn)嗄芰Φ囊螅⑶也恍枰獙σ呀ǔ傻目偨祲鹤冸娬具M(jìn)行改造。

2.4 限流措施效果分析

綜合上述短路電流校驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合本工程的實(shí)際情況，對上述各類限流方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較見表1。

表1 各限流方案優(yōu)缺點(diǎn)對比表

根據(jù)表1的對比結(jié)果，本項目最終采用方案四，即在發(fā)電機(jī)出口加裝大容量快速開斷限流裝置的限流方案。該項目于2011年投入運(yùn)行，兩年多來設(shè)備運(yùn)行狀況良好。

3 結(jié)論

在進(jìn)行有色冶煉廠余熱發(fā)電站接入系統(tǒng)設(shè)計時，必須校驗(yàn)發(fā)電機(jī)對接入變電站低壓側(cè)短路電流的影響，通過多個方案的比較，采取經(jīng)濟(jì)有效、易于實(shí)施的限流措施，以保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定和電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。本文通過對某大型銅冶煉廠余熱發(fā)電站接入系統(tǒng)設(shè)計中短路電流校驗(yàn)計算，分析比較了各種限流措施的優(yōu)缺點(diǎn)，為相關(guān)的工程設(shè)計提供參考。

[1] 水利電力部西北電力設(shè)計院.電力工程電氣設(shè)計手冊(電氣一次部分)[M].北京：水利電力出版社，1998.

[2] 中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院等.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊(第三版)[M].北京：中國電力出版社，2005.

[3] 徐向東.快速限流裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].高壓電器，2007，43(4)：295-297.

[4] 周靜華.變電站低壓側(cè)限流電抗器電抗值的選擇[J].供用電，2009，26(3)：48-49.

Methods of Limiting Low Voltage Side Short-circuit Current of Connected Substation in Nonferrous Smelting Waste-heat Generator Plants

MENG Ling-bai

(Electrical and Automation Department, China ENFI Engineering Corporation, Beijing 100038, China)

When a waste-heat generator plant is connected to the grid, the short-circuit current is often out of the limit. To solve this problem, four short-circuit current limiting methods are discussed for a practical engineering case. An economic, effective and convenient method is suggested. This case provides a reference for other relevant designs.

waste-heat generator plant；short-circuit current；current limiting reactor；high-speed protective device

2013-12-12

孟令柏(1978-)，女，河北遷安人，工程師，碩士研究生，主要從事電氣及自動化設(shè)計工作。

TM471

B

1003-8884(2014)03-0040-03