鋼廠供配電系統(tǒng)短路容量計算及開關設備分斷能力的校核

【摘要】鋼廠自供電系統(tǒng)隨著主體工程擴建而不斷擴容。擴容后原系統(tǒng)中的220kV和110kV GIS開關的分斷能力必須經過嚴格的校驗。如果系統(tǒng)短路電流中的直流分量超標，將導致開關無法及時切斷故障點，甚至可能擴大故障范圍。

【關鍵詞】供電系統(tǒng)；GIS開關；短路電流；交流分量；直流分量

一、前言

華東地區(qū)某鋼廠始建于上世紀中國改革開放的初期，后經過一、二、三期工程的建設，形成了年產1600萬噸鋼的規(guī)模。配套的供電系統(tǒng)由一期系統(tǒng)（包括二期，以下同）和三期系統(tǒng)組成，主要電壓等級有220kV、110kV、10kV、3kV等。一期系統(tǒng)1982年投運，三期系統(tǒng)1996年投運。當前，一期系統(tǒng)、三期系統(tǒng)各變電所負荷均已接近滿載，變電所內可擴建、改造的場地非常有限。另外，因華東電力系統(tǒng)不斷發(fā)展、擴大，接入市電電網220kV系統(tǒng)PCC點短路電流已遠大于40kA（實際已近50kA），一受電變電所220kV GIS開關已不適應短路電流要求，在三期工程時，已由31.5kA經改造后達40kA，無法實現再增容；如實施就地更新改造，其周期長、安全可靠性差。

原有供電系統(tǒng)單線系統(tǒng)圖參見附圖1。

在鋼廠的建設之初，鑒于鋼廠負荷巨大，且其自身安全生產的要求高，同時為減輕對整個市電電網的負荷壓力，合理平衡鋼廠內部各類煤氣、蒸汽等動力資源，與主體煉鋼、軋鋼工程配套，先后建設了1-3#摻燒高爐煤氣的350 MW/臺燃煤發(fā)電機組和1臺全燒高爐煤氣的159 MW CCPP發(fā)電機組。到本世紀初，鋼廠的最大計算負荷約為120萬kW，基本與其自發(fā)電能力相當。

本世紀初，公司制定了新一輪的發(fā)展規(guī)劃，將總鋼產能提升到1800萬噸，且大幅提高了高附加值產品的比例。為此，相應增加了近50萬kW的用電負荷。要實現所有新增負荷高安全可靠性的供電，原有系統(tǒng)容量已無法滿足要求，必須進行擴容改造。系統(tǒng)擴容后原系統(tǒng)中的220kV和110kV SF6 GIS的分斷能力是否能適應改造后系統(tǒng)的短路容量是一個不容忽視的問題。因為，一旦發(fā)生短路故障，若GIS開關不能針對性地將故障點從系統(tǒng)中及時切除，將給供電系統(tǒng)及整個鋼廠的安全運行帶來災難性的后果。

擴容方案的設計不僅要兼顧原有電力系統(tǒng)設備的能力，更重要的是必須統(tǒng)籌兼顧鋼廠現有用電設備的安全穩(wěn)定運行和預留未來發(fā)展的合理配置。

經過反復多次技術經濟比較，方案方才基本確定，即增建三受電變電所和新設一臺摻燒高爐煤氣的350 MW 4#發(fā)電機組。三受電變電所的220kV電源，由原送一受電變電所的三回220kV架空電源線倒入，而一受電變電所則改由三受電變電所供電；原一受電變電所220kV GIS拆除，其兩臺主變壓器接線方式改為線路變壓器組；新增4#發(fā)電機接入二受電變電所。

初步確定的擴容改造系統(tǒng)主接線圖見附圖2。

該方案技術上是否切實可行，關鍵就取決于在最大運行方式下系統(tǒng)的短路容量是否超過了原有設備的能力；若超過，則原有設備如何以最小的改動來適應新系統(tǒng)的運行要求。

二、短路容量計算

在前期方案比較時進行的初步計算基礎上，需針對確定的方案再次進行短路電流的計算，以便校核現有設備的能力并確定新增設備的額定容量。在著手短路電流計算前，經過反復研討、簡化，最終確立了以下幾個前提條件：

鋼廠負荷中，所有同步電機按照故障時一半容量處于發(fā)電狀態(tài)進行計算。

鋼廠10kV及以下電壓等級、容量在1000kW以下的異步電動機多達數千臺，在220kV和110kV系統(tǒng)故障時其反饋電流不計入。主要有鑒于這些異步機與短路點之間的電氣距離至少經過一次變壓，其短路電流對故障點貢獻衰減非常快，因而可忽略不計。

原有發(fā)電機機組（含高爐余壓發(fā)電、干熄焦CDQ發(fā)電）、大型同步機（如高爐鼓風機、制氧機等）的電氣參數按照原系統(tǒng)條件，不做調整；但6#制氧機從二受電變電所改自三受電變電所供電；新增其他負荷按區(qū)域分配；4#發(fā)電機的升壓變壓器阻抗比原3套機組適當提高，以降低系統(tǒng)短路容量，暫定18%。

原系統(tǒng)中的220kV和110kV SF6 GIS設定的開斷動作時間為70 mS。若校驗通不過，則可考慮適當延長至90mS。

系統(tǒng)的運行方式：最大方式考慮廠內發(fā)電機、同步電動機、異步電動機全部投入運行，三受電變電所和二受電變電所間的220kV聯絡線運行。

華東電力系統(tǒng)的最大運行方式由電力公司確定為：在新建某電廠2臺100MW燃機投產后（2006～2007年）且給鋼廠供電的區(qū)域變電所為單片運行時，系統(tǒng)對鋼廠提供的短路電流為邊界條件（即220kV電網側最大短路容量，值為19000MVA，遠景分片運行后將降低）。

計算最大方式下二受電和三受電變電所220kV母線及一受電變電所、二受變電所、中央變電所、2軋鋼變電所和三受電變電所110kV母線短路電流及分支電流；

計算在0秒、0.041秒、0.07秒、0.09秒，∞秒時各短路電流的交流和直流分量。遠景大方式計算各級母線0秒交流周期分量（包含分支電流）。

三、設備能力的校核

鋼廠原供電系統(tǒng)設備的分段能力如下：

一受電220kV和110kV GIS、中央變和二軋鋼變的110kV GIS以及二受電的110kV GIS開關的開斷能力均為40KA，二受電220kV GIS開關的開斷能力為50KA。

根據日本電氣學會JEC-181（國際電工學會IEC也有類似的規(guī)定）的有關規(guī)定，高壓斷路器的斷流容量用切斷短路電流的交流分量有效值來表示；同時，由于短路電流中含有直流分量，因而在核算開關能力時還需考慮直流分量的限制，這種限制用直流分量的百分比表示，具體為：

直流分量%=短路電流中的直流分量/*交流分量

而開關將短路電流從系統(tǒng)中切除的時間只能發(fā)生在每隔半個周波、短路電流中交流分量過零點的時刻。在開關開斷的時刻，短路電流中的直流分量只有小于某個限值，才能在第一次交流分量過零點時成功熄弧，從而將短路點從系統(tǒng)中切除。

若超過該限值，則開關在分斷時將無法熄弧，從而可能引起重復拉狐、系統(tǒng)故障電壓振動上升，最終將導致設備絕緣經受很大的考驗甚至被擊穿。

GIS開關切斷短路電流的時間是指在過電流保護繼電器動作后，開關的動觸頭離開靜觸頭的時間（一般稱為開極時間）與燃弧時間（交流分量過零點時熄?。┲?。

開關本身的動作時間在設備制作完成后就完全確定了。鋼廠原有一期供電系統(tǒng)中的220kV和110kV GIS基本為3周波（按照50Hz的系統(tǒng)頻率，加上過電流保護速斷繼電器的動作時間10mS，對應于短路電流計算表中的0.07秒），而三期系統(tǒng)中的二受電和二軋鋼變?yōu)?周波開斷時間（對應于短路電流計算表中的0.04秒）。當然，任何設備的額定能力在設計、制造時都留有20%左右的裕量，比如2周波GIS的實際開斷直流分量的能力在型式實驗時基本多在57%以上。

根據前述短路電流計算結果和設備的分斷能力，鋼廠擴容后，原有系統(tǒng)中的220kV和110kV GIS開斷能力校驗結果如下：

從上表中可以看出，通過新建三受電變電所，將原一受電變電所的220kV電源轉接到三受電，調高4#發(fā)電機的升壓變壓器短路阻抗后，原鋼廠內高壓供電系統(tǒng)設備的分斷容量基本在設備的能力范圍之內；個別系統(tǒng)的設備若不能滿足要求，則可通過適當延后開關的開斷時點來達成。

根據短路電流計算的結果，最終選定三受電變電所新增220kV和110kV GIS的額定短路電流開斷能力分別為50KA和40KA。

四、結論與建議

高壓系統(tǒng)220kV和110kV GIS的開斷能力是一個綜合指標，不但要看短路電流中交流分量，還要校驗其中的直流分量。

任何一個制造型企業(yè)，其發(fā)展的歷程基本都是從一個相對小的規(guī)模起步，經過幾年的生產運行后，會不斷擴大規(guī)模。這一點應該在建廠初期就要做好長遠規(guī)劃，最起碼在可能的地域范圍內對未來總體布局要有基本藍圖。配套的公用工程也應隨之做系統(tǒng)的安排。自供電系統(tǒng)中設備功能規(guī)格的確定必須要留有一定的裕量，即便因其所引起的投資增加過大而一時無法考慮，則也應設法給后期留有改造的可能。