呂冬梅，劉作坤，劉海云，潘彪，周軍，呂燕生

（1.北京首鋼國(guó)際工程技術(shù)有限公司，北京100043；2.北京市冶金三維仿真設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心，北京100043；3.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山063200）

1 引言

首鋼京唐鋼鐵廠二期工程，是在京津冀協(xié)同發(fā)展國(guó)家戰(zhàn)略的歷史背景下，作為率先落實(shí)京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略而實(shí)施的重大項(xiàng)目；是按照國(guó)家化解產(chǎn)能過(guò)剩矛盾和《河北省鋼鐵產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整方案》的要求，踐行“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”五大發(fā)展理念，促進(jìn)我國(guó)鋼鐵工業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的重大舉措。其中多模式全連續(xù)鑄軋生產(chǎn)線，簡(jiǎn)稱MCCR生產(chǎn)線（The Multi-mode Continuous Casting&Rolling plant），年產(chǎn)帶卷2.10×106t，主要工藝設(shè)備和自動(dòng)化控制從意大利Daniel公司和日本TMEIC公司引進(jìn)，部分設(shè)備國(guó)內(nèi)分交、Daniel公司技術(shù)總負(fù)責(zé)；供配電系統(tǒng)、介質(zhì)系統(tǒng)、鋼卷后部運(yùn)輸系統(tǒng)由北京首鋼國(guó)際工程技術(shù)有限公司技術(shù)總負(fù)責(zé)，該工程建設(shè)工期為35個(gè)月，2019年4月建成投產(chǎn)。

MCCR生產(chǎn)線采用了連鑄+隧道式加熱爐+粗軋機(jī)+感應(yīng)式加熱爐+精軋機(jī)+層流冷卻+飛剪+卷取機(jī)的緊湊式配置形式，也是世界首次采用的無(wú)頭軋制的配置形式。

MCCR生產(chǎn)線主傳動(dòng)設(shè)備有3架粗軋機(jī)組（H0、H1、H2）、5架精軋機(jī)組（F1~F5）；大電機(jī)設(shè)備有連鑄機(jī)擺剪、2臺(tái)地下液壓卷取機(jī)，此外還有9臺(tái)感應(yīng)加熱器。

MCCR生產(chǎn)線總裝機(jī)容量為193MW，其中精軋機(jī)電機(jī)容量10MW為最大容量電機(jī)。粗軋機(jī)組、精軋機(jī)組傳動(dòng)設(shè)備、大電機(jī)傳動(dòng)設(shè)備、全部采用AFE結(jié)構(gòu)（有源前端）的交直交變頻調(diào)速裝置，其余大電機(jī)、輔傳動(dòng)設(shè)備、輥道電機(jī)采用可控硅整流帶回饋制動(dòng)的公共直流母線方式1∶N的變頻調(diào)速裝置，少數(shù)傳動(dòng)設(shè)備采用1∶1交直交變頻調(diào)速裝置。由于MCCR生產(chǎn)線用電容量大、負(fù)荷較為復(fù)雜，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線的供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量、供電可靠性、供電能力提出了苛刻的要求，本文將從負(fù)荷計(jì)算、短路電流計(jì)算、諧波電流計(jì)算、沖擊負(fù)荷計(jì)算、電壓波動(dòng)5個(gè)方面對(duì)MCCR生產(chǎn)線的供電系統(tǒng)進(jìn)行分析研究。

2 負(fù)荷計(jì)算

MCCR生產(chǎn)線是在采用了ESP、CSP、常規(guī)軋制等多項(xiàng)新技術(shù)、新設(shè)備的基礎(chǔ)上開發(fā)的新模式熱軋帶鋼生產(chǎn)線。生產(chǎn)線有3種生產(chǎn)模式：無(wú)頭軋制模式、倍尺軋制模式、單坯軋制模式。

根據(jù)MCCR生產(chǎn)線軋制負(fù)荷的不同，在與Daniel公司及軋鋼工藝提供的數(shù)十個(gè)軋制表中選定幾個(gè)具有典型用電負(fù)荷特點(diǎn)、且具有較大軋制功率的軋制表進(jìn)行電氣負(fù)荷計(jì)算，計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 典型軋制表電氣負(fù)荷計(jì)算

其中綜合考慮平均計(jì)算負(fù)荷和功率因數(shù)，取最大軋制平均負(fù)荷計(jì)算視在功率Sjs為：

選3臺(tái)110 kV額定容量、Se=100 MV·A的車間變壓器，按兩用一備運(yùn)行方式考慮，計(jì)算最大平均軋制負(fù)荷情況下變壓器的負(fù)荷率：

選3臺(tái)100 MV·A變壓器完全滿足在各種工況、各種運(yùn)行方式下的安全供電要求，同時(shí)可滿足二期工序增加負(fù)荷的需求。

3 短路電流計(jì)算

為滿足設(shè)備選型和繼電保護(hù)的整定需求，分別對(duì)MCCR生產(chǎn)線110 kV總降35 kV母線、軋機(jī)區(qū)10 kV配電室10 kV母線、軋機(jī)區(qū)低壓配電室380 V母線3處的短路電流值進(jìn)行了計(jì)算。

3.1 35kV母線短路電流的計(jì)算

簡(jiǎn)化的35 kV供電系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 簡(jiǎn)化的35 kV供電系統(tǒng)圖

3.1.1計(jì)算的前提條件

根據(jù)供電部門提供110 kV側(cè)短路容量：

最大運(yùn)行方式：S″dmax=7 270 MV·A

最小運(yùn)行方式：S″dmin=1 152 MV·A

根據(jù)全廠供電系統(tǒng)圖35 kV一段母線所帶的負(fù)荷主要是H0、H1、H2（粗軋機(jī)組)、F1（精軋機(jī)組），因?yàn)樗鼈儾捎媒恢苯籄FE結(jié)構(gòu)的TMdrive-P70e2變頻器供電，將向短路點(diǎn)釋放短路電流，其值計(jì)算如下（以下計(jì)算為考慮電纜的阻抗）：

式中，IH0、IH1、IH2、IF1分別為H0、H1、H2（粗軋機(jī)組)、F1（精軋機(jī)組）傳動(dòng)裝置電流。

同樣，二段母線所帶的主要負(fù)荷主要是F2~F5（精軋機(jī)組），向短路點(diǎn)釋放短路電流計(jì)算如下：

式中，IF2、IF3、IF4、IF5分別為F2~F5（精軋機(jī)組）傳動(dòng)裝置電流，根據(jù)Tmeic公司TMdrive-P70e2產(chǎn)品樣本，取2 860 kA。

3.1.2 短路阻抗的計(jì)算

以10 MV·A為基準(zhǔn)值計(jì)算短路阻抗IZ結(jié)果及阻抗等值電路圖（見(jiàn)圖2）如下：

圖2 阻抗等值電路圖

110 kV電源側(cè)：10/7 270=0.001 38=0.138%；

80 MV·A變壓器：（10/80）×8.6%=1.075%；

A點(diǎn)的短路阻抗合計(jì)：0.138%+1.075%=1.213%；

3.1.3 35 kV I段、II段母線短路電流計(jì)算

1）35 kV I段母線A點(diǎn)短路電流

考慮I段母線上電機(jī)的反饋電流，A點(diǎn)的短路電流的最終計(jì)算結(jié)果：

2）35 kV II段母線B點(diǎn)短路電流

由110 kV供電電源系統(tǒng)提供的短路電流值與I段母線A點(diǎn)相同，即13.6 kA，考慮II段母線上電機(jī)的反饋電流，B點(diǎn)的短路電流的最終計(jì)算結(jié)果：

3.2 10 kV側(cè)短路電流的計(jì)算

簡(jiǎn)化的供電系統(tǒng)圖及阻抗等值電路圖，見(jiàn)圖3。

圖3 簡(jiǎn)化的10 kV供電系統(tǒng)圖及阻抗等值電路圖短路阻抗的計(jì)算：

以10 MV·A為基準(zhǔn)容量進(jìn)行短路阻抗的計(jì)算。

1）電源側(cè)：

2）電纜線路：

X3=0.054%

3）電機(jī)反饋：

4）C點(diǎn)短路阻抗Xc：

5）C點(diǎn)短路電流的計(jì)算：

3.3 低壓側(cè)（400 V）短路電流的計(jì)算

以10 MV·A為基準(zhǔn)容量進(jìn)行短路阻抗的計(jì)算。

1）電源側(cè)：

2）電纜線路1：X3=0.054%

3）電纜線路2：X4=0.044%

4）變壓器：X5=10/1.6×4.5%=28.125%

5）電機(jī)反饋：X6=[10/(1/0.9/0.85)]×25%=191.3%

6）D點(diǎn)短路阻抗Xd：

Xd=1/[1/(X1+X2+X3+X4+X5)+1/X6]=26.102%

即D點(diǎn)短路阻抗總值Xd為26.102%。

7）D點(diǎn)短路電流的計(jì)算：

結(jié)論：短路電流計(jì)算按系統(tǒng)最大短路容量（3 970 MV·A）考慮，見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算參數(shù)表

4 諧波計(jì)算

MCCR生產(chǎn)線主傳動(dòng)、輔傳動(dòng)采用交直交變頻調(diào)速會(huì)產(chǎn)生諧波。高次諧波引起的電壓波形畸變率及注入系統(tǒng)的諧波電流若超過(guò)國(guó)標(biāo)限值，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染，就必須治理。本工程為了降低高次諧波的發(fā)生量采取了下列措施：

1）調(diào)整了主變壓器的繞組阻抗，將10 kV對(duì)35 kV和110 kV繞組阻抗加大。因?yàn)榻釉?0 kV母線上的部分輔傳動(dòng)變頻裝置的整流單元采用的可控硅整流，軋鋼時(shí)控制角不斷變化，相對(duì)產(chǎn)生的諧波量最大。阻抗加大之后，一方面可以降低注入電力系統(tǒng)諧波電流的幅值，另一方面減少了對(duì)35 kV側(cè)主傳動(dòng)系統(tǒng)的干擾。

2）將TMdrive-P70e2共8套變頻器，計(jì)7臺(tái)整流變壓器的短路阻抗由15%改為18%。

3）所有接在35 kV和10 kV母線上的變壓器其接線組別相互錯(cuò)開30°電氣角，從電源側(cè)方向看為等效十二相，接在10 kV母線上的。

4）感應(yīng)加熱器電氣傳動(dòng)設(shè)施自帶功率補(bǔ)償裝置，功率因數(shù)達(dá)到0.95。

采取上述措施后，在無(wú)頭軋制模式下電壓總諧波畸變率（THDu）和注入系統(tǒng)的諧波電流IH計(jì)算結(jié)果如表3和表4。

表3 電壓總諧波畸變率（THDu）的計(jì)算數(shù)據(jù)

表4 注入系統(tǒng)的諧波電流I H的計(jì)算數(shù)據(jù)A

采取上述措施后，在單坯軋制模式下電壓總諧波畸變率（THDu）和注入系統(tǒng)的諧波電流IH計(jì)算結(jié)果如表5和表6。

表5 電壓總諧波畸變率（THDu）的計(jì)算數(shù)據(jù)

表6 注入系統(tǒng)的諧波電流I H的計(jì)算數(shù)據(jù)A

5 沖擊負(fù)荷的計(jì)算

沖擊負(fù)荷計(jì)算主要包括2部分：有功沖擊負(fù)荷及無(wú)功沖擊負(fù)荷的計(jì)算。有功沖擊負(fù)荷視系統(tǒng)容量的大小，主要會(huì)引起電網(wǎng)頻率的變化，電力用戶無(wú)補(bǔ)償方案，只能是由供電網(wǎng)側(cè)解決。無(wú)功沖擊會(huì)引起系統(tǒng)供電母線上電壓波動(dòng)和電壓閃變，如果超過(guò)國(guó)家電網(wǎng)允許限值，用戶必須采取補(bǔ)償措施，供電母線上電壓波動(dòng)值和電壓閃變值不能超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限定值。

5.1 軋制表

從Daniel給出的若干個(gè)軋制表中選擇出軋制負(fù)荷較大的幾個(gè)典型的有代表性的軋制表進(jìn)行計(jì)算。在與Tmeic公司的設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)會(huì)上，由Daniel與京唐公司共同選擇7個(gè)軋制表進(jìn)行計(jì)算，其中單坯軋制4個(gè)，無(wú)頭軋制3個(gè)，本文以無(wú)頭軋制典型負(fù)荷DD11為例。

5.2 沖擊負(fù)荷時(shí)序圖

110 kV I段母線負(fù)荷時(shí)序圖詳見(jiàn)圖4，110 kV I段母線負(fù)荷時(shí)序圖詳見(jiàn)圖5，110 kV母線總負(fù)荷時(shí)序圖詳見(jiàn)圖6。

圖4 簡(jiǎn)化的400 V供電系統(tǒng)圖及阻抗等值電路圖

圖4 110kVⅠ段母線負(fù)荷時(shí)序圖

圖5 110kVⅡ段母線負(fù)荷時(shí)序圖

圖6 110kV母線總負(fù)荷時(shí)序圖

5.3 計(jì)算結(jié)果

下面是對(duì)10 kV側(cè)、35 kV側(cè)、110 kV側(cè)有功沖擊負(fù)荷和無(wú)功沖擊負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果：

5.3.1 10 kV

1）I段母線

有功負(fù)荷P=35.6 MW；無(wú)功負(fù)荷Q=16.0 Mvar；功率因數(shù)cosφ=0.912。

2）II段母線

有功負(fù)荷P=28.2 MW；無(wú)功負(fù)荷Q=13.9 Mvar；功率因數(shù)cosφ=0.897。

5.3.2 35kV：

1）I段母線

有功沖擊負(fù)荷Ppeak=35.3 MW；無(wú)功沖擊負(fù)荷Qpeak=7.1 Mvar；功率因數(shù)cosφ=0.981。

2）II段母線

有功沖擊負(fù)荷Ppeak=41.6 MW；無(wú)功沖擊負(fù)荷Qpeak=9.2 Mvar；功率因數(shù)cosφ=0.976。

5.3.3 110 kV

1）I段母線

有功沖擊負(fù)荷Ppeak=71.0 MW；無(wú)功沖擊負(fù)荷Qpeak=23.0 Mvar；功率因數(shù)cosφ=0.951。

2）II段母線

有功沖擊負(fù)荷Ppeak=69.8MW；無(wú)功沖擊負(fù)荷Qpeak=23.0Mvar；功率因數(shù)cosφ=0.949。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，10 kV各項(xiàng)負(fù)荷運(yùn)行比較平穩(wěn)，主要負(fù)荷是連鑄機(jī)、隧道爐、軋線介質(zhì)系統(tǒng)、托盤運(yùn)輸線輸送輥道電機(jī)，因?yàn)闆](méi)有沖擊負(fù)荷，所以也就不存在電壓波動(dòng)和電壓閃變的問(wèn)題，不需采取任何補(bǔ)償措施。

35 kV側(cè)的主要負(fù)荷是粗軋機(jī)組和精軋機(jī)組主傳動(dòng)電機(jī)，其變頻調(diào)速裝置由于采用AFE結(jié)構(gòu)（有源前端），電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于1，所以也不存在無(wú)功沖擊引起的電壓波動(dòng)，即便是接在35 kV母線上有少量的可控硅整流的輔傳動(dòng)裝置，產(chǎn)生少量的無(wú)功負(fù)荷，其對(duì)供電系統(tǒng)的影響也是微乎其微，整體電壓波動(dòng)很小。

6 電壓波動(dòng)計(jì)算

從“沖擊負(fù)荷計(jì)算”結(jié)果得知，35 kV的負(fù)荷（以DD11軋制表為例）有功負(fù)荷沖擊和無(wú)功負(fù)荷沖擊對(duì)電網(wǎng)影響微乎其微，計(jì)算如下。

6.1 35 kV母線

6.2 110 kV母線

式中，Ppeak有功沖擊負(fù)荷，IR系統(tǒng)短路電阻，Qpeak無(wú)功沖擊負(fù)荷，系統(tǒng)短路電抗。

公式中的IX按IR的20%考慮，IR同IZ的計(jì)算值，見(jiàn)“短路電流計(jì)算”。

結(jié)論：35 kV側(cè)I段母線電壓波動(dòng)值為1.075%，II段母線為1.147%，110 kV側(cè)I段母線電壓波動(dòng)值為1.167%，II段母線為1.165%，遠(yuǎn)低于國(guó)標(biāo)GB/T 12326—2008《電能質(zhì)量 電壓波動(dòng)和閃變》[2]的限值。

7 結(jié)語(yǔ)

MCCR生產(chǎn)線在供配電設(shè)計(jì)中，在首鋼京唐2 250 mm、1 580 mm等熱軋工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)計(jì)方案做了進(jìn)一步優(yōu)化。在對(duì)全廠用電負(fù)荷、短路電流、沖擊負(fù)荷、諧波電流以及電壓波動(dòng)值等電能質(zhì)量相關(guān)技術(shù)的研究中，秉承技術(shù)先進(jìn)、可靠、節(jié)能的指導(dǎo)思想，通過(guò)新技術(shù)的應(yīng)用和設(shè)計(jì)方案的不斷完善，在沒(méi)有設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償和諧波吸收裝置的情況下，該供配電系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)近兩年的生產(chǎn)運(yùn)行檢驗(yàn)，供配電系統(tǒng)整體運(yùn)行安全可靠。期望通過(guò)本文內(nèi)容與大家交流，在電氣工程供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中為實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新不斷努力，力爭(zhēng)新的突破。