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        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

        2024-12-31 00:00:00謝向楠張嘉煜
        機(jī)電信息 2024年23期

        摘 要:工礦企業(yè)中的用電負(fù)荷中存在大量的電動(dòng)機(jī)負(fù)載,且隨著近些年裝置規(guī)模的逐漸增大,電動(dòng)機(jī)負(fù)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(kuò)大,主變壓器從常見的16 MVA增加到31.5 MVA甚至50 MVA。此時(shí),系統(tǒng)的短路電流就成為限制系統(tǒng)無限制擴(kuò)容的最大阻力。隨著電動(dòng)機(jī)能耗等級(jí)要求的不斷提高,這一問題更加凸顯。鑒于此,通過實(shí)際案例分析計(jì)算,來分析產(chǎn)生這一問題的原因。

        關(guān)鍵詞:最大運(yùn)行方式;短路電流;中壓系統(tǒng);案例分析

        中圖分類號(hào):TM713" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A" " 文章編號(hào):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(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110 kV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(jiǎn)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(chǎng)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:110 kV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(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RL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)ZT=·計(jì)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(jì)算主變壓器電阻,式中PkrT為變壓器負(fù)載損耗,IrT為變壓器額定電流。根據(jù)XT=計(jì)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(jì)算變壓器校正系數(shù):根據(jù)KT=·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,xT=XT/

        ,Ib T為短路前最高運(yùn)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(jì)算單饋入短路阻抗:根據(jù)式ZTK=KT·ZT計(jì)算變壓器修正阻抗得ZTK=0.158 8 Ω。

        第二步,計(jì)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(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≤0.8/

        -0.3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∑PrM為需要考慮的低壓電動(dòng)機(jī)功率之和,∑SrT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,UnQ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=cmax,其中ZM為電動(dòng)機(jī)阻抗,計(jì)算值為ZM=·,式中UrM為電動(dòng)機(jī)額定電壓,與Un相等,IrM為電動(dòng)機(jī)額定電流,ILR/IrM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ZM代入等式簡(jiǎn)化后可得,I ″ k3M=cmax·(ILR/IrM)·IrM。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∑I ″ 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(jiǎn)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。可以采用在變壓器二次側(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)]

        [1] 李明,孫晶晶.GB/T 15544短路電流計(jì)算與實(shí)用短路計(jì)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(jiǎn)介:謝向楠(1984—),男,河北吳橋人,工程師,研究方向:工廠供電、電機(jī)拖動(dòng)。

        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。

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