馬敏 劉磊

摘要：鋼鐵企業(yè)在余能利用中可組成小容量的發(fā)電機(jī)組，實(shí)現(xiàn)資源再利用，但是小機(jī)組并網(wǎng)給電網(wǎng)系統(tǒng)帶來短路電流超標(biāo)的問題，本文通過實(shí)際案例證明小容量機(jī)組并網(wǎng)后系統(tǒng)參數(shù)的變化，并提出限制短路電流的有效措施，為類似工程的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：發(fā)電;并網(wǎng);短路電流;限流

1引言

鋼鐵企業(yè)在生產(chǎn)過程中，存在有大量的余熱、余壓、剩余煤氣等資源，資源總量巨大，回收利用前景廣闊，為了貫徹國(guó)家節(jié)能環(huán)保的基本方針政策，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，可利用這些余能資源進(jìn)行發(fā)電，建成余熱發(fā)電機(jī)組、余壓發(fā)電機(jī)組、剩余煤氣發(fā)電機(jī)組等，推動(dòng)鋼鐵企業(yè)節(jié)能降耗，實(shí)現(xiàn)資源的綜合利用。本文將以實(shí)際工程為例，來分析小容量發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響，并提出解決方案。

2 小容量發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)

綜合考慮鋼鐵企業(yè)余能資源的分布情況以及新上發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益，一般余能發(fā)電機(jī)組的規(guī)模較小，單機(jī)容量為6～30MW，為了節(jié)省投資，降低損耗，所發(fā)電能一般選擇就近消耗，接入系統(tǒng)就近直接接入，不經(jīng)升壓變壓器，與廠內(nèi)中壓配電站或者總降變電站低壓側(cè)母線并網(wǎng)，電壓等級(jí)可為6kV或10kV。另一方面，余能發(fā)電的電量與工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行、工藝流程等密切相關(guān)，波動(dòng)量大，存在一定的不穩(wěn)定性，為不影響公共電網(wǎng)，一般采用并網(wǎng)不上網(wǎng)的連接方式，投資成本低，實(shí)施工作量小，適合鋼鐵企業(yè)內(nèi)運(yùn)用。

小容量機(jī)組的建立，在成本減少的同時(shí)，給電網(wǎng)造成了一定的問題，發(fā)電并入電網(wǎng)后，根據(jù)機(jī)組參數(shù)的不同，向電網(wǎng)注入短路電流，原有電氣設(shè)備的開斷能力是否能滿足要求需要重新校核。

3 工程實(shí)例

某鋼鐵企業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)技術(shù)改造項(xiàng)目總體規(guī)劃，鋼鐵主體工藝升級(jí)改造配套項(xiàng)目，合計(jì)產(chǎn)生飽和蒸汽約134t/h，最大164t/h，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，提高資源利用效率，工程配套建設(shè)飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)額定容量為25MW，扣除廠用電負(fù)荷2134kW，實(shí)際供電能力約為22.866MW，項(xiàng)目建成后，年發(fā)電量約為1.14×108 kWh。

本工程發(fā)電機(jī)出口為10kV電壓等級(jí)，經(jīng)電纜連接至附近的10kV開關(guān)站，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，并網(wǎng)點(diǎn)設(shè)在發(fā)電機(jī)出口斷路器。

發(fā)電機(jī)參數(shù)：額定功率25MW，額定電壓10.5kV，額定電流1718.3A，功率因數(shù)0.8，次暫態(tài)電抗0.1275，勵(lì)磁方式為無刷勵(lì)磁。10kV電動(dòng)機(jī)運(yùn)行總功率為2000kW 。

發(fā)電并網(wǎng)接入系統(tǒng)后，系統(tǒng)側(cè)網(wǎng)絡(luò)改變成為雙電源網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)系統(tǒng)側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，故障點(diǎn)的短路電流大幅度增加，對(duì)系統(tǒng)側(cè)電氣設(shè)備的開斷能力帶來嚴(yán)峻的考驗(yàn)，若短路電流超出原有設(shè)備的開斷能力，還需要對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行更換。

以上述工程為例進(jìn)行計(jì)算，系統(tǒng)圖及阻抗圖如圖1。

系統(tǒng)110kV變電站10kV母線側(cè)的最大短路電流為14.925kA。選取計(jì)算基準(zhǔn)值;基準(zhǔn)電壓為;基準(zhǔn)電流為。

系統(tǒng)側(cè)阻抗標(biāo)幺值：;

電纜線路L1阻抗標(biāo)幺值：;

電纜線路L2線路較短，近似為0;

發(fā)電機(jī)阻抗標(biāo)幺值：;

點(diǎn)短路故障時(shí)，母線的短路電流計(jì)算如下：

1）發(fā)電機(jī)回路提供的短路電流

等值阻抗標(biāo)幺值

折算到以發(fā)電機(jī)額定容量為基準(zhǔn)容量的標(biāo)幺值為

根據(jù)汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)算曲線，可得時(shí)短路電流的周期分量標(biāo)幺值為。則發(fā)電機(jī)回路產(chǎn)生的短路電流為

2）系統(tǒng)側(cè)提供的短路電流

等值阻抗標(biāo)幺值

系統(tǒng)側(cè)按無限大供電電源考慮，所產(chǎn)生的短路電流為

3）電動(dòng)機(jī)反饋沖擊電流

電動(dòng)機(jī)次暫態(tài)電抗標(biāo)幺值按0.14計(jì)算，。

由此得出，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后，在并網(wǎng)站10kV母線上發(fā)生短路時(shí)產(chǎn)生的短路電流為。

4. 發(fā)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的影響

在發(fā)電機(jī)出口，電氣設(shè)備的選型應(yīng)考慮非周期分量的影響，因在靠近電源處的短路點(diǎn)，非周期分量往往大于周期分量幅值的20%，超過了斷路器進(jìn)行型式試驗(yàn)的條件，可能會(huì)影響斷路器的開斷性能。另外還考慮設(shè)備本身制造質(zhì)量的因素，所以在設(shè)計(jì)初期選擇斷路器的開斷能力應(yīng)有足夠的余量。

本文以上案例中并網(wǎng)站10kV系統(tǒng)電氣設(shè)備的短路開斷能力為31.5kA，現(xiàn)通過計(jì)算得知，如將發(fā)電機(jī)組并入上級(jí)系統(tǒng)，發(fā)生三相短路故障時(shí)，系統(tǒng)短路電流已很接近設(shè)備的分?jǐn)嗄芰?，將?duì)電氣設(shè)備造成威脅。因此，在新建余能發(fā)電機(jī)組項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，為不影響已有系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)側(cè)必須采取合理的限制短路電流的措施，減少對(duì)電網(wǎng)的影響，以實(shí)現(xiàn)余能的科學(xué)合理的利用。

4 解決方案

對(duì)于單機(jī)的小容量機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)，比較有效的限制短路電流的措施是在發(fā)電機(jī)出口串聯(lián)限流電抗器，但是限流電抗器串聯(lián)在發(fā)電機(jī)回路中，會(huì)存在很大的電能損耗，現(xiàn)采用可恢復(fù)式大容量高速開關(guān)與電抗器并聯(lián)的方式，在正常運(yùn)行時(shí)，高速開關(guān)閉合，不經(jīng)過電抗器，當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，高速開關(guān)迅速分?jǐn)?，將限流電抗器投入系統(tǒng)，起到限制短路電流的作用。

在發(fā)電機(jī)出口加入電抗器后，對(duì)系統(tǒng)模型調(diào)整并計(jì)算。

初選電抗器1500A，10.5kV，電抗率8%。

以基準(zhǔn)容量計(jì)算電抗器的電抗標(biāo)幺值為

此時(shí)發(fā)電機(jī)回路等值阻抗標(biāo)幺值

折算到以發(fā)電機(jī)額定容量為基準(zhǔn)容量的標(biāo)幺值為

根據(jù)汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)算曲線查得此時(shí)短路電流的周期分量標(biāo)幺值為6.4，則發(fā)電機(jī)回路產(chǎn)生的短路電流為

加裝限流電抗器后，并網(wǎng)站10kV母線上的短路電流為

并網(wǎng)后，上級(jí)站電氣設(shè)備開斷能力可以承受此短路電流，并有一定的余量，不需要對(duì)上級(jí)站的電氣設(shè)備進(jìn)行改造。

4 結(jié)論

在鋼鐵企業(yè)實(shí)施的余能發(fā)電小機(jī)組中，若不經(jīng)過變壓器并入廠內(nèi)電網(wǎng)系統(tǒng)，必須對(duì)發(fā)電機(jī)注入的短路電流進(jìn)行核算，校驗(yàn)接入系統(tǒng)后短路電流的影響。隨著電力系統(tǒng)容量的不斷擴(kuò)大，以及工廠規(guī)模的增大，系統(tǒng)短路電流越來越考驗(yàn)著電氣設(shè)備的運(yùn)行能力，有效的限制短路電流的措施將是電氣科研人員進(jìn)一步研究的課題。本文中所采取的電抗器并聯(lián)大容量開關(guān)的方法，既能保證正常運(yùn)行時(shí)不造成電能損耗，同時(shí)可在故障時(shí)降低短路電流，是鋼鐵企業(yè)小機(jī)組并網(wǎng)時(shí)限制短路電流的有效解決方案。