司大軍

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，昆明 650011）

0 前言

云南省是電力資源大省，為了就地消納富余水電，提高工業(yè)增加值，云南省積極推進(jìn)“水電鋁+精深加工”的集群化布局，在3至5年內(nèi)形成5個(gè)左右水電鋁加工一體化重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)園區(qū)，形成600～800萬噸水電鋁規(guī)模，打造具有綜合競爭力和世界影響力的千億級(jí)水電鋁一體化基地。水電鋁單位能耗大，達(dá)到14000 kWh/噸[1]，單個(gè)電解鋁負(fù)荷一般在數(shù)百～數(shù)千MW，因此現(xiàn)代電解鋁企業(yè)一般以220 kV接入電網(wǎng)。

由于水電鋁負(fù)荷較大，在其接入系統(tǒng)時(shí)往往需要對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行加強(qiáng)，加強(qiáng)電網(wǎng)后會(huì)造成短路電流的增加。在云南某地區(qū)向某水電鋁供電后加強(qiáng)電網(wǎng)方案研究中，出現(xiàn)了短路電流（單相）接近斷路器遮斷容量的情況。限制短路電流的措施主要有：

1）調(diào)整運(yùn)行方式，如斷開電磁環(huán)網(wǎng)；

2）加裝限流裝置[2-3]。采用斷開電磁環(huán)的運(yùn)行方式會(huì)降低區(qū)域電網(wǎng)的供電能力，而加裝限流裝置往往受場地的限制，有一定的實(shí)施難度。

本文在分析短路電流來源時(shí)，發(fā)現(xiàn)了電解鋁負(fù)荷向電網(wǎng)提供了較大的短路電流，造成了計(jì)算短路電流較大的問題，通過理論、仿真、錄波數(shù)據(jù)等幾個(gè)方面分析了電解鋁負(fù)荷提供短路電流情況，表明在故障時(shí)，電解鋁負(fù)荷不會(huì)向電網(wǎng)提供短路電流。

1 電解鋁供電系統(tǒng)簡介

電解鋁整流系統(tǒng)主要包括二極管整流和晶閘管整流[4]，電解鋁供電系統(tǒng)由高壓電網(wǎng)提供的交流電經(jīng)整流變壓器降壓，經(jīng)飽和電抗器調(diào)節(jié)和二極管整流器整流，將交流電轉(zhuǎn)換為用于電解生產(chǎn)的直流電，供電給電解鋁生產(chǎn)系統(tǒng)。電解鋁供電系統(tǒng)由整流機(jī)組、整流變壓器、及整流機(jī)柜組成。整流機(jī)柜包括飽和電抗器、二極管等原件，將交流轉(zhuǎn)換為直流。

圖1 電解鋁供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 區(qū)域電網(wǎng)簡介

圖2 云南某地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

云南某地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中TAN、HP、DL為500 kV變電站，LJ、YLT、JC、ERY、HD為220 kV變電站，其中JC匯集了較多的中小水電，水電鋁Q1、水電鋁Q2、水電鋁Y分別以雙回220 kV線路接入HP變電站。水電鋁Q項(xiàng)目分兩期建設(shè)，其中項(xiàng)目一期水電鋁Q1最大負(fù)荷約73萬千瓦，項(xiàng)目二期水電鋁Q2最大負(fù)荷約77萬千瓦。水電鋁Y項(xiàng)目最大負(fù)荷680 MW。

HP變有2臺(tái)750 MVA主變，由于大量水電鋁負(fù)荷接入HP變，造成局部電網(wǎng)供電能力不足，經(jīng)研究需要擴(kuò)建HP變第3臺(tái)主變（750 MVA）。

3 500 kV HP變短路電流分析

在HP變建成3臺(tái)主變后，使用PSDBPA短路電流計(jì)算程序計(jì)算HP變220 kV母線單相短路電流為49.4 kA，三相短路電流為43.4 kA，接近斷路器遮斷容量50 kA，危及設(shè)備安全。需要采取措施限制短路電流，通過斷開HP變-DL變或HP變-TAN變500/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)降低短路電流，但斷開電磁環(huán)網(wǎng)后局部電網(wǎng)供電能力降低也較多，不能滿足負(fù)荷供電的需求；加裝變壓器中性點(diǎn)小電抗可有效減小單相短路電流，但會(huì)增加電網(wǎng)工程投資。

本文通過分析HP變220 kV母線單相短路電流分布情況，尋找短路電流達(dá)到斷路器遮斷容量的原因。表1為HP變220 kV母線單相短路電流分布表。

表1 HP變220 kV母線單相短路電流分布

從表1中可以看出，水電鋁負(fù)荷提供了較大的短路電流，這是因?yàn)镻SD-BA在計(jì)算短路電流時(shí)計(jì)及了負(fù)荷模型，電網(wǎng)中的負(fù)荷模型設(shè)置為50%電動(dòng)機(jī)+50ZIP負(fù)荷模型，而電動(dòng)機(jī)負(fù)荷會(huì)提供一定的短路電流。

由圖1可知，電解鋁供電系統(tǒng)將交流電通過整流（通常為二極管整流）變?yōu)橹绷麟?，理論上在故障情況下不會(huì)向故障點(diǎn)提供短路電流。當(dāng)電網(wǎng)側(cè)故障系統(tǒng)電壓降低時(shí)，電解鋁供電系統(tǒng)將通過控制保持直流電流的恒定，因直流電流與交流電流有較嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，故交流電流在電解鋁負(fù)荷運(yùn)行時(shí)保持恒定。若電壓降低較小，電解鋁控制系統(tǒng)將可保持電流恒定，若電壓降低較大，控制系統(tǒng)將無法保持電流恒定，但不會(huì)出現(xiàn)電解鋁向電網(wǎng)倒送的情況。由以上分析可知，電解鋁負(fù)荷只會(huì)從電網(wǎng)“吸收”電流，不會(huì)因電網(wǎng)故障向電網(wǎng)“輸出”電流。

4 水電鋁提供短路電流電磁暫態(tài)分析

圖3 整流負(fù)荷仿真模型

圖4 整流負(fù)荷投入前后短路電流（故障點(diǎn)）對(duì)比圖

本文根據(jù)電解鋁供電系統(tǒng)，建立了電解鋁整流負(fù)荷的Matlab仿真模型，如圖3所示。其中電解鋁負(fù)荷為1000 MW。在圖3中“Breaker 1”斷開情況下（整流負(fù)荷不工作），經(jīng)計(jì)算發(fā)生單相接地短路故障，短路點(diǎn)電流為9.37 kA（基波有效值），“Breaker 1”閉合情況下（整流負(fù)荷投入），經(jīng)計(jì)算發(fā)生單相接地短路故障，短路點(diǎn)電流為9.35 kA（基波有效值），與整流負(fù)荷投入前相同。整流負(fù)荷投入前后故障點(diǎn)電流對(duì)比如圖4所示。由此可見，整流負(fù)荷不提供短路電流。

5 基于錄波電解鋁提供短路電流分析

本文在理論、仿真兩個(gè)分析電解鋁對(duì)短路電流的影響的基礎(chǔ)上，收集了實(shí)際電網(wǎng)故障錄波數(shù)據(jù)，進(jìn)一步通過錄波數(shù)據(jù)分析電解鋁負(fù)荷提供短路電流情況。

某鋁業(yè)公司建成220 kV降壓變一座，為兩回線路供電，正常情況下采用一主一備供電方式，供電線路重合閘為退出狀態(tài)。2018年12月14日，該鋁業(yè)公司主供線路發(fā)生B相接地故障，母線電壓與220 kV通潤線電流如圖5、圖6所示。圖5、圖6中故障0.04秒故障發(fā)生，0.052秒后斷路器斷開（C相斷路器于故障后0.044秒斷開），故障清除。

圖5 潤鑫鋁業(yè)母線電壓波形圖

從圖6中可以看出故障前后三相電流無顯著增大，經(jīng)計(jì)算三相電流有效值（基波）如圖7所示。由于C相斷路器于故障后0.044秒斷開，而采用傅立葉算法計(jì)算基波有效值需要0.020秒數(shù)據(jù)，因此故障后0.044-0.020=0.024秒內(nèi)的有效值是可用的，可用有效值為圖7中淺蘭色框中數(shù)據(jù)。對(duì)比故障前、后的有效值，可以看出故障后（短時(shí)間內(nèi)）三相電流無顯著變化。因此，從故障錄波來看電解鋁負(fù)荷沒有向電網(wǎng)提供短路電流。

圖6 通潤線電流波形圖

圖7 通潤線電流有效值波形圖

由以上分析來看，電解鋁負(fù)荷不會(huì)向電網(wǎng)提供短路電流，在使用PSD-BPA計(jì)算短路電流時(shí)，默認(rèn)會(huì)計(jì)及負(fù)荷提供的短路電流，可通過更改設(shè)置不考慮負(fù)荷的影響。當(dāng)不考慮負(fù)荷后，HP變220 kV單相短路電流為45.3 kA，明顯小于斷路器遮斷容量，無需要改變運(yùn)行方式或加裝變壓器中性點(diǎn)小電抗。

6 結(jié)束語

本文從理論、電磁暫態(tài)仿真、實(shí)際故障錄波等方面分析了電解鋁負(fù)荷提供短路電流情況，結(jié)果表明，電解鋁是整流型負(fù)荷，不會(huì)向電網(wǎng)提供短路電流。

使用PSD-BPA進(jìn)行電解鋁負(fù)荷周邊電網(wǎng)短路時(shí)，可不考慮負(fù)荷提供短路電流。