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)電機組，實現(xiàn)資源再利用，但是小機組并網(wǎng)給電網(wǎng)系統(tǒng)帶來短路電流超標的問題，本文通過實際案例證明小容量機組并網(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，為類似工程的設計提供參考。

關鍵詞：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，為了貫徹國家節(jié)能環(huán)保的基本方針政策，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，可利用這些余能資源進行發(fā)電，建成余熱發(fā)電機組、余壓發(fā)電機組、剩余煤氣發(fā)電機組等，推動鋼鐵企業(yè)節(jié)能降耗，實現(xiàn)資源的綜合利用。本文將以實際工程為例，來分析小容量發(fā)電機組并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響，并提出解決方案。

2 小容量發(fā)電機組的特點

綜合考慮鋼鐵企業(yè)余能資源的分布情況以及新上發(fā)電機組的經(jīng)濟效益，一般余能發(fā)電機組的規(guī)模較小，單機容量為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，與廠內中壓配電站或者總降變電站低壓側母線并網(wǎng)，電壓等級可為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)運行、工藝流程等密切相關，波動量大，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，實施工作量小，適合鋼鐵企業(yè)內運用。

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

3 工程實例

某鋼鐵企業(yè)產(chǎn)業(yè)升級技術改造項目總體規(guī)劃，鋼鐵主體工藝升級改造配套項目，合計產(chǎn)生飽和蒸汽約134t/h，最大164t/h，為實現(xiàn)節(jié)能減排，提高資源利用效率，工程配套建設飽和蒸汽發(fā)電機組，發(fā)電機額定容量為25MW，扣除廠用電負荷2134kW，實際供電能力約為22.866MW，項目建成后，年發(fā)電量約為1.14×108 kWh。

本工程發(fā)電機出口為10kV電壓等級，經(jīng)電纜連接至附近的10kV開關站，實現(xiàn)并網(wǎng)，并網(wǎng)點設在發(fā)電機出口斷路器。

發(fā)電機參數(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，勵磁方式為無刷勵磁。10kV電動機運行總功率為2000kW 。

發(fā)電并網(wǎng)接入系統(tǒng)后，系統(tǒng)側網(wǎng)絡改變成為雙電源網(wǎng)絡，當系統(tǒng)側發(fā)生短路故障時，故障點的短路電流大幅度增加，對系統(tǒng)側電氣設備的開斷能力帶來嚴峻的考驗，若短路電流超出原有設備的開斷能力，還需要對原有設備進行更換。

以上述工程為例進行計算，系統(tǒng)圖及阻抗圖如圖1。

系統(tǒng)110kV變電站10kV母線側的最大短路電流為14.925kA。選取計算基準值;基準電壓為;基準電流為。

系統(tǒng)側阻抗標幺值：;

電纜線路L1阻抗標幺值：;

電纜線路L2線路較短，近似為0;

發(fā)電機阻抗標幺值：;

點短路故障時，母線的短路電流計算如下：

1）發(fā)電機回路提供的短路電流

等值阻抗標幺值

折算到以發(fā)電機額定容量為基準容量的標幺值為

根據(jù)汽輪發(fā)電機運算曲線，可得時短路電流的周期分量標幺值為。則發(fā)電機回路產(chǎn)生的短路電流為

2）系統(tǒng)側提供的短路電流

等值阻抗標幺值

系統(tǒng)側按無限大供電電源考慮，所產(chǎn)生的短路電流為

3）電動機反饋沖擊電流

電動機次暫態(tài)電抗標幺值按0.14計算，。

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

4. 發(fā)電機組對電網(wǎng)的影響

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

本文以上案例中并網(wǎng)站10kV系統(tǒng)電氣設備的短路開斷能力為31.5kA，現(xiàn)通過計算得知，如將發(fā)電機組并入上級系統(tǒng)，發(fā)生三相短路故障時，系統(tǒng)短路電流已很接近設備的分斷能力，將對電氣設備造成威脅。因此，在新建余能發(fā)電機組項目的設計中，為不影響已有系統(tǒng)，發(fā)電機側必須采取合理的限制短路電流的措施，減少對電網(wǎng)的影響，以實現(xiàn)余能的科學合理的利用。

4 解決方案

對于單機的小容量機組并網(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)電機回路中，會存在很大的電能損耗，現(xiàn)采用可恢復式大容量高速開關與電抗器并聯(lián)的方式，在正常運行時，高速開關閉合，不經(jīng)過電抗器，當發(fā)生短路故障時，高速開關迅速分斷，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)電機出口加入電抗器后，對系統(tǒng)模型調整并計算。

初選電抗器1500A，10.5kV，電抗率8%。

以基準容量計算電抗器的電抗標幺值為

此時發(fā)電機回路等值阻抗標幺值

折算到以發(fā)電機額定容量為基準容量的標幺值為

根據(jù)汽輪發(fā)電機運算曲線查得此時短路電流的周期分量標幺值為6.4，則發(fā)電機回路產(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，上級站電氣設備開斷能力可以承受此短路電流，并有一定的余量，不需要對上級站的電氣設備進行改造。

4 結論

在鋼鐵企業(yè)實施的余能發(fā)電小機組中，若不經(jīng)過變壓器并入廠內電網(wǎng)系統(tǒng)，必須對發(fā)電機注入的短路電流進行核算，校驗接入系統(tǒng)后短路電流的影響。隨著電力系統(tǒng)容量的不斷擴大，以及工廠規(guī)模的增大，系統(tǒng)短路電流越來越考驗著電氣設備的運行能力，有效的限制短路電流的措施將是電氣科研人員進一步研究的課題。本文中所采取的電抗器并聯(lián)大容量開關的方法，既能保證正常運行時不造成電能損耗，同時可在故障時降低短路電流，是鋼鐵企業(yè)小機組并網(wǎng)時限制短路電流的有效解決方案。