摘 要：工礦企業(yè)中的用電負荷中存在大量的電動機負載，且隨著近些年裝置規(guī)模的逐漸增大，電動機負載在供電中壓系統(tǒng)中的占比顯著增加，也促使企業(yè)中壓系統(tǒng)容量不斷擴大，主變壓器從常見的16 MVA增加到31.5 MVA甚至50 MVA。此時，系統(tǒng)的短路電流就成為限制系統(tǒng)無限制擴容的最大阻力。隨著電動機能耗等級要求的不斷提高，這一問題更加凸顯。鑒于此，通過實際案例分析計算，來分析產(chǎn)生這一問題的原因。

關(guān)鍵詞：最大運行方式；短路電流；中壓系統(tǒng)；案例分析

中圖分類號：TM713" " 文獻標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）23-0019-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.23.004

0" " 引言

本文要討論的是一套主變壓器容量為31.5 MVA的雙回路供電系統(tǒng)，理論上在功率因數(shù)控制在0.95的情況下，可以承載約29.9 MW的有功功率；可是在裝置擴容設(shè)計過程中，卻連28 MW的負荷都無法承擔(dān)，原因是中壓系統(tǒng)短路電流超標(biāo)。下文通過對短路電流的計算，分析短路電流升高的原因，并提出提高供電系統(tǒng)帶負載能力的解決方案。

1" " 供電系統(tǒng)介紹

該企業(yè)為危險化工生產(chǎn)企業(yè)，其大部分負荷為一、二級重要負荷，因此為滿足安全要求，采用雙重電源供電。示意圖如圖1所示，供電系統(tǒng)進線為兩路110 kV電源，各帶一段母線，每段母線各帶一臺31.5 MVA主變。110 kV母線形式為雙回路供電，單母線分段運行，母聯(lián)備自投。變壓器為雙繞組有載調(diào)壓變壓器，變壓器阻抗電壓分別為11.61%和11.77%，按照設(shè)計要求，正常生產(chǎn)期間變壓器負荷率不得超過50%，即當(dāng)一臺變壓器出現(xiàn)故障時，另一臺變壓器可以帶全部負荷正常生產(chǎn)。

裝置區(qū)內(nèi)共設(shè)有三座6 kV站，其中一座位于主變壓器二次側(cè)，是總降壓變電站的6 kV站點；另外兩座分別是Ⅰ工段和Ⅱ工段的6 kV變電站，由總變電站6 kV變電所供電。三個站點6 kV母線形式均為雙回路供電，單母線分段運行，母聯(lián)備自投。站點之間距離不超過400 m，且均為交聯(lián)銅電纜連接。站點與各用電設(shè)備之間距離在300 m以內(nèi)，同樣均為交聯(lián)銅電纜連接。三個站點的6 kV斷路器額定分段電流均為40 kA。受篇幅限制，圖1中將6 kV母線簡化成兩段，也便于后續(xù)計算。

Ⅰ工段和Ⅱ工段下各設(shè)一座低壓變電所，均配備兩臺2 500 kVA的低壓變壓器。低壓變電所母線形式均為雙回路供電，單母線分段運行，母聯(lián)備自投。圖1中未對低壓變電所做過多描繪，一并算作現(xiàn)場用電設(shè)備。

目前裝置中滿負荷正常生產(chǎn)期間用電有功功率約為28 MW，中壓系統(tǒng)用電設(shè)備中除4臺低壓變壓器外均為異步電動機設(shè)備。其中，低壓變壓器為滿足雙回路要求，負荷率在50%以下。中壓系統(tǒng)異步電動機功率范圍涵蓋200～5 900 kW，正常運行時負荷率在80%～90%，電動機總體運行負荷占總負荷的90%以上。短路電流超標(biāo)的情況出現(xiàn)在中壓系統(tǒng)，此時系統(tǒng)的最大運行方式為：110 kV母聯(lián)斷開解備，一條110 kV進線帶一臺主變運行，6 kV和0.4 kV系統(tǒng)母聯(lián)閉合，一條進線帶全站運行。整個供電系統(tǒng)由一臺主變帶全部負荷運行。

2" " 短路電流計算

本次要計算的是最大運行方式下6 kV母線K點短路電流，用于確定系統(tǒng)運行時的短路上限，幫助判定供電系統(tǒng)硬件配置容量是否合適。本次不再計算最小運行方式下的短路電流，不考慮繼電保護動作靈敏度的問題。

計算的主要依據(jù)是IEC法[1]中三相短路電流的計算方法，因為最大短路電流不會發(fā)生在單相接地以及兩相短路期間。最大短路電流的計算原則包含以下方面：

1）最大短路電流系數(shù)cmax取值1.10，短路時系統(tǒng)電壓為cmax，Un為系統(tǒng)額定電壓；

2）考慮饋電網(wǎng)絡(luò)可能的最大貢獻，110 kV饋電網(wǎng)卡可以按照無窮大來考慮，因此110 kV電網(wǎng)系統(tǒng)不會對短路電流造成限制；

3）化工工業(yè)電網(wǎng)系統(tǒng)要考慮低壓異步電動機的影響；

4）計算最大短路電流時要考慮中壓異步電動機的影響；

5）系統(tǒng)連接采用交聯(lián)銅電纜，且距離較近，線路電阻RL小，忽略不計。

第一步，計算單饋入短路阻抗。

計算變壓器相關(guān)參數(shù)：根據(jù)ZT=·計算主變壓器阻抗[2]，式中UrT為變壓器額定電壓，SrT為變壓器額定容量，ukr為阻抗電壓。根據(jù)RT=計算主變壓器電阻，式中PkrT為變壓器負載損耗，IrT為變壓器額定電流。根據(jù)XT=計算主變壓器電抗。代入變壓器參數(shù)可得ZT為0.146 3 Ω，RT為0.005 4 Ω，XT為0.146 2 Ω。

計算變壓器校正系數(shù)：根據(jù)KT=·計算變壓器校正系數(shù)，式中Ub為短路前最高運行電壓，xT=XT/

，Ib T為短路前最高運行電流，φb T為短路前功率因數(shù)角。代入數(shù)據(jù)可得KT=1.085 4。

計算單饋入短路阻抗：根據(jù)式ZTK=KT·ZT計算變壓器修正阻抗得ZTK=0.158 8 Ω。

第二步，計算饋線提供的短路電流。

代入I ″ k=cmax可得三相短路電流，代入數(shù)據(jù)經(jīng)計算饋線提供短路電流為25.2 kA。

第三步，驗證低壓異步電動機對短路電流的影響。

當(dāng)不等式≤0.8/

-0.3成立時可忽略低壓異步電動機對中壓系統(tǒng)的短路電流貢獻。式中∑PrM為需要考慮的低壓電動機功率之和，∑SrT為給電動機供電的變壓器容量之和，c為電壓系數(shù)，取1.10，UnQ為變壓器一次側(cè)系統(tǒng)標(biāo)稱電壓，I ″ kQ為忽略電動機時變壓器一次側(cè)對稱短路電流初始值。經(jīng)統(tǒng)計，四臺低壓變壓器中單臺負載最大負荷588 kW，代入數(shù)據(jù)可得不等式兩邊為0.28≤3.33，不等式成立，則不考慮低壓側(cè)異步電動機對中壓系統(tǒng)短路電流的影響。

第四步，計算中壓異步電動機對短路電流的影響。

根據(jù)公式，單臺異步電動機三相短路電流初始值為I ″ k3M=cmax，其中ZM為電動機阻抗，計算值為ZM=·，式中UrM為電動機額定電壓，與Un相等，IrM為電動機額定電流，ILR/IrM為轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)電流與電動機額定電流之比（由電動機本身特性決定，當(dāng)前運行的電動機在6～7之間，這里取6.6）。將ZM代入等式簡化后可得，I ″ k3M=cmax·（ILR/IrM）·IrM。將裝置中電動機額定電流代入式中，可得裝置中所有電動機提供的三相短路電流∑I ″ k3M=19.5 kA。

應(yīng)當(dāng)注意到，異步電動機的反饋電流與電動機的轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)電流正相關(guān)，隨著國家對電動機能耗水平的要求越來越高，電動機轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)電流比值越來越高，有些已經(jīng)趨近于10，因此在一級能耗等級電動機應(yīng)用較多的企業(yè)更加應(yīng)該引起對短路電流的重視。

合計第二步和第四步得出中壓系統(tǒng)最大運行方式下短路電流為44.7 kA。

通過ETAP簡化建模潮流分析（圖2）驗證與計算結(jié)果基本一致。

結(jié)論：中壓系統(tǒng)短路電流超過中壓斷路器額定分段電流40 kA，供電系統(tǒng)存在安全隱患[3]。

3" " 供電系統(tǒng)優(yōu)化建議

1）禁止母聯(lián)合閘，并將運行負荷均勻分配在兩段母線下，進而均勻分配電動機的反饋電流，使單獨每段的短路電流達標(biāo)。該運行方式雖然限制了短路電流，但卻影響了整個供電系統(tǒng)的雙回路供電可靠性。

2）使用大分段能力的斷路器?？蛇x擇將整個中壓系統(tǒng)斷路器更換成50 kA分段能力的斷路器。該方法雖然沒有限制短路電流，但做到了整個供電系統(tǒng)容量的匹配。該方法需要一定的資金投入，且對斷路器的質(zhì)量提出了較高的要求。

3）加限流電抗器與高速開關(guān)的組合?？梢圆捎迷谧儔浩鞫蝹?cè)增加限流電抗器與爆炸橋高速開關(guān)并聯(lián)的限流措施。由于限流電抗器的體積相對較大，在改造項目中應(yīng)用的話，就要求原變電站有較大的預(yù)留空間，否則通過母線連接也是一筆可觀的費用。

4）更換高阻抗變壓器。可以將現(xiàn)有低阻抗變壓器更換為高阻抗變壓器。該方案中原有變壓器的處理相對比較麻煩，且高阻抗變壓器在后期的使用中負載損耗相對更高，運行經(jīng)濟性不如低阻抗變壓器。

5）更換為多個小變壓器。該方案中原有變壓器的處理依然較為麻煩，且多臺變壓器均要接到110 kV母線上，增加了供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，還要考慮到110 kV母線的形式，國標(biāo)要求6回路以上應(yīng)采用雙母線，110 kV系統(tǒng)的雙母線成本相對較高。

6）對于新建裝置可以考慮用10 kV中壓系統(tǒng)代替6 kV中壓系統(tǒng)，從而在增加系統(tǒng)容量的同時有效控制短路電流，且同等負載狀態(tài)下10 kV系統(tǒng)線路損耗小于6 kV系統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)秀的節(jié)能降耗效果。

以上建議優(yōu)劣勢不一而足，僅供有相關(guān)需求的企事業(yè)單位參考。

[參考文獻]

[1] 李明，孫晶晶.GB/T 15544短路電流計算與實用短路計算比較分析[J].電氣應(yīng)用，2019，38（9）：47-51.

[2] 楊立斌.主變壓器低壓側(cè)10 kV相間短路故障分析及短路電流抑制[J].氯堿工業(yè)，2020，56（2）：5-7.

[3] 蘭洲.電力系統(tǒng)短路電流估算及斷路器選擇[J].電世界，2023，64（6）：28-35.

收稿日期：2024-08-06

作者簡介：謝向楠（1984—），男，河北吳橋人，工程師，研究方向：工廠供電、電機拖動。

張嘉煜（1984—），男，河北撫寧人，工程師，研究方向：供電系統(tǒng)、電力安全。