商曉峰, 徐 淼, 劉雪偉

(中國電子系統(tǒng)工程第二建設有限公司, 江蘇 無錫 214028)

0 引 言

短路電流對于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行有著嚴重危害,為減少電氣設備的損壞,減輕短路危害和防止故障擴大,在設計中進行短路電流計算以正確選擇和檢驗電氣設備,整定繼電保護裝置,保證系統(tǒng)短路時,保護裝置能可靠動作是非常有必要的。但就目前短路電流的兩種計算方法,即GB/T 15544(IEC法)和實用電流計算法來說,前者應用廣泛但計算極其復雜,后者則根據(jù)同步發(fā)電機的參數(shù)和容量配置等特點,用概率統(tǒng)計制定了短路電流周期分量運算曲線,計算較為簡便,但對工程設計的指導適用性不強。

考慮到柴油發(fā)電機供電系統(tǒng)的短路電流情況較為復雜,且在需求激增的數(shù)據(jù)中心及先進半導體項目中,柴油發(fā)電機系統(tǒng)的裝機數(shù)量多、單機容量高,因此采用IEC法對柴油發(fā)電機供電系統(tǒng)的短路電流水平進行綜合分析,對于實際工程設計是具有較強指導意義的。

1 項目概況

以國內(nèi)某一大型先進半導體廠房的柴油發(fā)電機供電系統(tǒng)作為案例進行具體短路電流的分析討論。鑒于半導體廠房電氣系統(tǒng)的特殊性,其中一些重要負荷需采用應急發(fā)電機并聯(lián)供電的方案。本文選擇的案例中重要負荷總容量經(jīng)計算可達7 980 kW,配套柴油發(fā)電機總容量為10 000 kW。綜合考慮當?shù)仉娋W(wǎng)公司及項目業(yè)主需求,其供電電壓要求為10 kV。供電系統(tǒng)簡圖如圖1所示。由市電引兩路獨立的110 kV供電電源降壓至10 kV出兩路電源至各建筑內(nèi)的變配電站。中壓10 kV采用單母線分段的設計原則,兩段母線分為一組,每組之間聯(lián)絡開關為自動投切,任一路電源停電或檢修時,母線聯(lián)絡斷路器投入運行,另一路電源向此段母線供電。柴油發(fā)電機的設計原則同市電,采用單母線分段設計,發(fā)電機發(fā)出10 kV后并機向兩段應急母線供電,兩段母線各出一回路至各中壓室再進行互切后供電給各終端變電站內(nèi)應急變壓器,對應急負荷設備供電。

圖1 供電系統(tǒng)簡圖

系統(tǒng)設備參數(shù)如表1所示,用于短路電流計算的主要設備有5臺并列運行同時運行的柴油發(fā)電機、2臺接入不同10 kV母線段的冷水機組、柴油發(fā)電機至并列點電纜和并列點至10 kV冷水機組電纜。

表1 系統(tǒng)設備參數(shù)

2 短路電流的產(chǎn)生原因及危害

短路電流產(chǎn)生的原因有絕緣損壞、人為不安全操作、小動物跨越導線、機械外力損害等。

短路發(fā)生時會導致系統(tǒng)阻抗驟減,流過短路點的電流迅速增加,短路電流可達幾倍到幾十倍,斷路器、電流互感器、母排等需要承受較大的短路電流沖擊。短路電流的沖擊會破壞電氣設備的動、熱穩(wěn)定性。此外,短路電流增加造成設備溫度升高,接線端子過熱,加劇設備的絕緣老化,降低設備使用壽命。若短路電流過大超過斷路器的極限分斷能力,導致斷路器不能有效切除故障,從而擴大事故范圍。發(fā)生接地短路時,短路點會產(chǎn)生較高的接觸電壓和跨步電壓,對人身及設備安全產(chǎn)生巨大威脅[1]。

3 短路電流計算

3.1 計算條件

本文短路電流計算均建立在以下3個基礎條件上:

(1) 柴油發(fā)電機供電系統(tǒng)的負載中往往含有中、高壓大容量電動機,其單臺容量大小可與發(fā)電機容量相比擬,故短路過程中不僅發(fā)電機作為短路電流供給源,運行中的電動機也應視為短路電流供給源。

(2) 短路時,其短路電流由系統(tǒng)中所有發(fā)電機和電動機的特性及其饋電線的阻抗來決定。

(3) 發(fā)電機的勵磁方式按他勵考慮。

計算過程中采用標幺值時,均以柴油發(fā)電機或電動機自身參數(shù)為基準值進行計算,電纜阻抗標幺值則以柴油發(fā)電機自身參數(shù)為基準值進行計算[2]。

3.2 不同短路點短路電流計算

計算基礎參數(shù)條件見表1。綜合分析本工程實際情況,對中壓斷路器等電氣設備參數(shù)影響最大的短路計算點應考慮為發(fā)電機出線的母線段及負載電動機上端的饋線端。短路系統(tǒng)圖如圖2所示。因此選擇分析的短路點為圖2中的k1及k2點。

圖2 短路系統(tǒng)圖

3.2.1 并網(wǎng)母線處短路(k1點)

首先進行各項電氣參數(shù)的標幺值換算,以柴油發(fā)電機自身參數(shù)為基準的電抗值XBG=44.1 Ω;每回柴油發(fā)電機至并網(wǎng)點的電纜標幺值Z*L1=j0.000 1+0.000 1。

確定基礎標幺值后,依次進行每臺柴油發(fā)電機至k1點的各項等效計算:等效超瞬態(tài)等效阻抗為Z*G1.k1(2～5)=j0.136 2+0.015 1,等效超瞬態(tài)時間常數(shù)為T*G1.k1(2～5)=0.019 s,等效瞬態(tài)阻抗為Z*G1.k1(2～5)=j0.252 1+0.015 1,等效瞬態(tài)時間常數(shù)為T′G1.k1(2～5)=0.311 s,等效電樞時間常數(shù)為TG1.k1(2～5)=0.034 s。

綜上所見,回路中的電纜阻抗相較于發(fā)電機自身阻抗,對等效阻抗的影響很小,因此在實際應用中,回路電纜阻抗對于發(fā)電機等效計算可以忽略不計。

k1點短路電流周期分量值如表2所示;k1點短路電流直流分量值如表3所示。

表2 k1點短路電流周期分量值

表3 k1點短路電流直流分量值

綜上計算可知,當t=0.01 s(T/2)時,k1點短路電流水平:周期分量值Isk1為4 506 A,直流分量值Ifk1為5 307 A,沖擊電流值Ipk1為11 679 A。

將計算結果投入工程應用,經(jīng)簡單計算可知系統(tǒng)中5臺柴油發(fā)電機的額定電流為688 A,則在k1點短路時,最大沖擊電流可接近發(fā)電機額定電流的17倍?；谀壳半姎庋b備的水平條件,10 kV中壓斷路器的最小分斷能力在25 kA,動穩(wěn)定電流為63 kA。據(jù)此推算,一臺10 kV斷路器可承受30臺柴油發(fā)電機的短路水平。而根據(jù)經(jīng)驗,實際工程中一般每組發(fā)電機群不會超過10臺,因此柴油發(fā)電機并網(wǎng)斷路器無需提高分斷能力。

3.2.2 饋電線端短路(k2點)

在進行k2點的短路電流計算之前,首先需要確定所帶負載電動機冷水機組的相關參數(shù),在實際工程應用中,最為精確的計算方式是要求電機供應商提供電機的詳細參數(shù)。為增強普適性,本次計算參考GB/T 21066—2007《船舶和移動式及固定式近海設施的電氣裝置三相交流短路電流計算方法》,電動機各項標幺值參數(shù)取值[3]:Z*M為0.16,X*M為0.15,Rs為0.034,RR為0.021,rM為0.055,X*為0.156。

依據(jù)公式計算可得,案例中電動機的周期分量衰減時間常數(shù)TZM為0.024 s,非周期衰減時間常數(shù)TfM為0.015 s。

3.3 柴油發(fā)電機組至k2點的等效計算

根據(jù)k1點短路計算過程及分析,可將k1點前5臺并網(wǎng)發(fā)電機等效為一臺發(fā)電機(簡稱Gk1),其參數(shù):In.Gk1為688 A,X*d.Gk1為13.6%,X′d.Gk1為25.2%,Xd.Gk1為271%,Ra.Gk1為1.5%,T*d.Gk1為0.019 s,T′d.Gk1為0.311 s,Td.Gk1為0.034 s。

以等效發(fā)電機Gk1的參數(shù)作為基準值,從短路點k1點至k2點的回路電纜阻抗標幺值Z*L2=j0.000 3+0.008 7。確定計算基礎值后,進行詳細的短路電流計算:等效超瞬態(tài)等效阻抗Z″*Gk1=j0.136 3+0.023 7;等效超瞬態(tài)時間常數(shù)T″*Gk2=0.019 s;等效瞬態(tài)阻抗Z′*Gk1=j0.252 3+0.009;等效瞬態(tài)時間常數(shù)T′Gk2=0.311 s;等效電樞時間常數(shù)TG1.k2=0.022 s。

k2點短路電流周期分量值如表4所示;k2點短路電流直流分量值如表5所示。

表4 k2點短路電流周期分量值

表5 k2點短路電流直流分量值

當t=0.01 s(T/2)時,k2點短路電流水平:周期分量值Izk2為4 412 A,直流分量值Ifk2為5 515 A,沖擊電流值Ipk2為11 754 A。

根據(jù)計算,單臺電動機對短路點電流的助增作用不甚明顯,而實際工程中,單段母線上一般不會接入數(shù)量超過3臺的大容量電動機,因此也無需刻意增大斷路器分斷能力。當需要考慮大功率電動機的反饋影響時,雖然短路點遠離了柴油發(fā)電機并網(wǎng)點,但是短路電流水平并未有明顯下降,甚至會超過并網(wǎng)點。考慮到實際工程中,為節(jié)省造價,此類大功率電動機往往均離柴油發(fā)電機房及變電所較近,因此為保證繼電保護正確整定,不可隨意忽略電動機對短路點電流水平的助增。實際設計中可考慮當電動機容量超過發(fā)電機裝機容量的10%時,應計入電動機對短路點的電流反饋助增。

4 計算結果應用

計算最大短路電流的目的是為了確定電氣設備的容量及進行動、熱穩(wěn)定校驗和各項分斷能力的選擇。從整體計算結果分析,可得到如下5項推論投入實際工程應用。

(1) 柴油發(fā)電機并網(wǎng)處可直接采用發(fā)電機本身參數(shù)進行計算,無需考慮并網(wǎng)電纜對計算結果的影響,其不僅可減少實際工程運算中數(shù)據(jù)收集的參量,還可降低計算量,同時計算精確度可滿足工程設計需求。

(2) 柴油發(fā)電機并網(wǎng)處不可按照無限源方式進行直接計算,否則誤差超過10%,這是因為發(fā)電機超瞬態(tài)電抗和瞬態(tài)電抗遠小于其穩(wěn)態(tài)電抗。

(3) 柴油發(fā)電機并網(wǎng)的母線段的短路電流在經(jīng)過時間2T(0.04 s)后,周期分量趨于穩(wěn)定,直流分量基本衰減至可忽略。

(4) 以目前中壓斷路器的最小極限分段能力和動穩(wěn)定參數(shù),每組發(fā)電機群在不超過30臺時,不需要考慮斷路器提檔問題,已可完全滿足目前所有工程應用情況。

(5) 當電動機容量超過發(fā)電機裝機容量的10%時,在實際工程設計中應計入電動機對短路點電流反饋的助增影響。

5 結 語

本文采用IEC法對電氣設備選型最為敏感的2個短路點進行了詳細計算分析,并結合工程實際,得出了幾點可直接投入實際工程設計的推論,為同類電氣系統(tǒng)在設計選型時提供了簡便應用的依據(jù)。