一起工礦企業(yè)供電系統(tǒng)短路電流超標(biāo)案例計(jì)算分析

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(kuò)容設(shè)計(jì)過程中,卻連28 MW的負(fù)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(duì)短路電流的計(jì)算,分析短路電流升高的原因,并提出提高供電系統(tǒng)帶負(fù)載能力的解決方案。

1 供電系統(tǒng)介紹

該企業(yè)為危險(xiǎn)化工生產(chǎn)企業(yè),其大部分負(fù)荷為一、二級(jí)重要負(fù)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(jìn)線為兩路110kv 電源,各帶一段母線,每段母線各帶一臺(tái)31.5 MVA 主變。110 kv母線形式為雙回路供電,單母線分段運(yùn)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(jì)要求,正常生產(chǎn)期間變壓器負(fù)荷率不得超過50%,即當(dāng)一臺(tái)變壓器出現(xiàn)故障時(shí),另一臺(tái)變壓器可以帶全部負(fù)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(diǎn);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(gè)站點(diǎn)6 kv母線形式均為雙回路供電,單母線分段運(yùn)行,母聯(lián)備自投。站點(diǎn)之間距離不超過400 m,且均為交聯(lián)銅電纜連接。站點(diǎn)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(gè)站點(diǎn)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(jì)算。

I工段和Ⅱ工段下各設(shè)一座低壓變電所,均配備兩臺(tái)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(yùn)行,母聯(lián)備自投。圖1中未對(duì)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(fù)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(tái)低壓變壓器外均為異步電動(dòng)機(jī)設(shè)備。其中,低壓變壓器為滿足雙回路要求,負(fù)荷率在50%以下。中壓系統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)功率范圍涵蓋200~5 900 kW,正常運(yùn)行時(shí)負(fù)荷率在80%~90%,電動(dòng)機(jī)總體運(yùn)行負(fù)荷占總負(fù)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(shí)系統(tǒng)的最大運(yùn)行方式為:110kv母聯(lián)斷開解備,一條110 kv進(jìn)線帶一臺(tái)主變運(yùn)行,6 kv和0.4 kv系統(tǒng)母聯(lián)閉合,一條進(jìn)線帶全站運(yùn)行。整個(gè)供電系統(tǒng)由一臺(tái)主變帶全部負(fù)荷運(yùn)行。

2短路電流計(jì)算

本次要計(jì)算的是最大運(yùn)行方式下6 kv母線K點(diǎn)短路電流,用于確定系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)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(jì)算最小運(yùn)行方式下的短路電流,不考慮繼電保護(hù)動(dòng)作靈敏度的問題。

計(jì)算的主要依據(jù)是IEC法^[1]中三相短路電流的計(jì)算方法,因?yàn)樽畲蠖搪冯娏鞑粫?huì)發(fā)生在單相接地以及兩相短路期間。最大短路電流的計(jì)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(shí)系統(tǒng)電壓為CmaxUn/√3,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(xiàn),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(huì)對(duì)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(dòng)機(jī)的影響;

4)計(jì)算最大短路電流時(shí)要考慮中壓異步電動(dòng)機(jī)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R_L小,忽略不計(jì)。

第一步,計(jì)算單饋入短路阻抗。

計(jì)算變壓器相關(guān)參數(shù):根據(jù)Z_T=Ukr/100%·U²_rT/S_rT計(jì)算主變壓器阻抗^[2],式中U_rT為變壓器額定電壓,S_rT為變壓器額定容量,ukr為阻抗電壓。根據(jù)R_T=P_krT/3I²_rT計(jì)算主變壓器電阻,式中P_krT為變壓器負(fù)載損耗,I_rT為變壓器額定電流。根據(jù)XT=√Z²_T-R²_T計(jì)算主變壓器電抗。代入變壓器參數(shù)可得Z_T為0.1463Ω,R_T為0.0054Ω,X_T為0.1462Ω。

計(jì)算變壓器校正系數(shù):根據(jù)

計(jì)算變壓器校正系數(shù),式中ub為短路前最高運(yùn)行電壓,

,I^b_T為短路前最高運(yùn)行電流,φ^b_T為短路前功率因數(shù)角。代入數(shù)據(jù)可得K_T=1.085 4。

計(jì)算單饋入短路阻抗:根據(jù)式Z_TK=K_T·Z_T計(jì)算變壓器修正阻抗得Z_TK=0.158 8 Ω。

第二步,計(jì)算饋線提供的短路電流。

代入I''_k=CmaxU_n/√3Z_TK可得三相短路電流,代入數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算饋線提供短路電流為25.2 kA。

第三步,驗(yàn)證低壓異步電動(dòng)機(jī)對(duì)短路電流的影響。

當(dāng)不等式成立時(shí)可忽略低壓異步電動(dòng)機(jī)對(duì)中壓系統(tǒng)的短路電流貢獻(xiàn)。 式中ΣP_rM為需要考慮的低壓電動(dòng)機(jī)功率之和,ΣS_rT為給電動(dòng)機(jī)供電的變壓器容量之和,c為電壓系數(shù),取1.10,U_nQ為變壓器一次側(cè)系統(tǒng)標(biāo)稱電壓,I''_kQ為忽略電動(dòng)機(jī)時(shí)變壓器一次側(cè)對(duì)稱短路電流初始值。經(jīng)統(tǒng)計(jì),四臺(tái)低壓變壓器中單臺(tái)負(fù)載最大負(fù)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(dòng)機(jī)對(duì)中壓系統(tǒng)短路電流的影響。

第四步,計(jì)算中壓異步電動(dòng)機(jī)對(duì)短路電流的影響。

根據(jù)公式,單臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)三相短路電流初始值為I''_k3M=CmaxU_n/√3ZM,其中Z_M為電動(dòng)機(jī)阻抗,計(jì)算值為Z_M= 1/(T_LR/I_rM)·U_rM/√3I_rM,式中U_rM為電動(dòng)機(jī)額定電壓,與Un相等,I_rM為電動(dòng)機(jī)額定電流,I_LR/I_rM為轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)電流與電動(dòng)機(jī)額定電流之比(由電動(dòng)機(jī)本身特性決定,當(dāng)前運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)在6~7之間,這里取6.6)。將Z_M代入等式簡化后可得,I''_k3M=Cmax·(I_LR/I_rM)·I_rM。將裝置中電動(dòng)機(jī)額定電流代入式中,可得裝置中所有電動(dòng)機(jī)提供的三相短路電流ΣI''_k3M=19.5 kA。

應(yīng)當(dāng)注意到,異步電動(dòng)機(jī)的反饋電流與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)電流正相關(guān),隨著國家對(duì)電動(dòng)機(jī)能耗水平的要求越來越高,電動(dòng)機(jī)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(jí)能耗等級(jí)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用較多的企業(yè)更加應(yīng)該引起對(duì)短路電流的重視。

合計(jì)第二步和第四步得出中壓系統(tǒng)最大運(yùn)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(yàn)證與計(jì)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(yùn)行負(fù)荷均勻分配在兩段母線下,進(jìn)而均勻分配電動(dòng)機(jī)的反饋電流,使單獨(dú)每段的短路電流達(dá)標(biāo)。該運(yùn)行方式雖然限制了短路電流,但卻影響了整個(gè)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(gè)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(gè)供電系統(tǒng)容量的匹配。該方法需要一定的資金投入,且對(duì)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(duì)較大,在改造項(xiàng) 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(fèi)用。

4)更換高阻抗變壓器?？梢詫F(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(duì)比較麻煩,且高阻抗變壓器在后期的使用中負(fù)載損耗相對(duì)更高,運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性不如低阻抗變壓器。

5)更換為多個(gè)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(tái)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(duì)較高。

6)對(duì)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(shí)有效控制短路電流,且同等負(fù)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(shì)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(xiàn)]

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2024年第23期第4篇