水泥廠余熱發(fā)電對(duì)系統(tǒng)短路電流的影響及限制措施

李傳祥，鄧國(guó)平（中國(guó)中材國(guó)際工程股份有限公司（南京），江蘇 南京 211100）

1 限制短路電流的必要性

短路（Short circuit）是指在正常電路中電勢(shì)不同的兩點(diǎn)不正確地直接碰接或被阻抗（或電阻）非常小的導(dǎo)體接通時(shí)的情況。短路時(shí)電流強(qiáng)度很大，往往會(huì)損壞電氣設(shè)備或引起火災(zāi)。例如，在發(fā)電機(jī)發(fā)生短路時(shí)，流過發(fā)電機(jī)的短路電流最大瞬時(shí)值可達(dá)額定電流的10～15倍。大容量電力系統(tǒng)中，短路電流可達(dá)數(shù)萬(wàn)安。這會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成嚴(yán)重影響和后果。

短路電流將引起下列嚴(yán)重后果：短路電流往往會(huì)有電弧產(chǎn)生，它不僅能燒壞故障元件本身，也可能燒壞周圍設(shè)備和傷害周圍人員。巨大的短路電流通過導(dǎo)體時(shí)，一方面會(huì)造成導(dǎo)體過熱，絕緣損壞；另一方面巨大的短路電流還將產(chǎn)生很大的電動(dòng)力作用于導(dǎo)體，使導(dǎo)體變形或損壞。短路故障可能會(huì)同時(shí)引起系統(tǒng)電壓大幅度降低，特別是靠近短路點(diǎn)處的電壓降低得更多，從而可能導(dǎo)致部分用戶或全部用戶的供電遭到破壞，使供電設(shè)備的正常工作受到損壞，也可能導(dǎo)致工廠的產(chǎn)品報(bào)廢或設(shè)備損壞，如電動(dòng)機(jī)過熱受損等。電力系統(tǒng)中出現(xiàn)短路故障時(shí)，系統(tǒng)功率分布的突然變化和電壓的嚴(yán)重下降，也可能破壞各發(fā)電廠并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性，使整個(gè)系統(tǒng)解列。短路電流具有很大危害，必須在短時(shí)間內(nèi)跳開斷路器切斷短路電路，斷路器的短路電流能力有限，在設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)計(jì)算短路電流，選擇對(duì)應(yīng)的斷路器等一次設(shè)備，并且根據(jù)短路電流計(jì)算結(jié)果校驗(yàn)斷路器、電纜等其他一次設(shè)備和整定保護(hù)裝置的保護(hù)定值。

隨著余熱發(fā)電的技術(shù)日益成熟，國(guó)家對(duì)能源的重視和對(duì)節(jié)能減排的扶持，工業(yè)和信息化部關(guān)于部分產(chǎn)能嚴(yán)重過剩行業(yè)產(chǎn)能置換實(shí)施辦法通知的發(fā)布，越來(lái)越多的可利用余熱的企業(yè)都意識(shí)到了余熱發(fā)電所帶來(lái)的效益，對(duì)發(fā)展余熱發(fā)電項(xiàng)目持積極態(tài)度。余熱發(fā)電改造項(xiàng)目越來(lái)越多，在改造過程中經(jīng)常會(huì)遇到這種問題，一些比較老舊的水泥廠在余熱發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)后，會(huì)出現(xiàn)短路遮斷容量不夠的情況，必須對(duì)增加的短路電流加以限制，把短路電流限制在設(shè)備遮斷容量范圍內(nèi)，保證電力系統(tǒng)和設(shè)備安全。

2 余熱發(fā)電對(duì)系統(tǒng)短路電流的影響

新建的余熱發(fā)電系統(tǒng)與水泥線總降并網(wǎng)運(yùn)行后，會(huì)使系統(tǒng)短路電流增加，此時(shí)應(yīng)重新計(jì)算系統(tǒng)短路電流，校驗(yàn)斷路器的遮斷容量，如果超出現(xiàn)有斷路器的遮斷容量應(yīng)采取相應(yīng)的限流措施，保證最大短路電流不超過現(xiàn)有斷路器的遮斷容量。

2.1 系統(tǒng)短路電流分析

以伊拉克MASS集團(tuán)25MW余熱發(fā)電改造項(xiàng)目為例，此項(xiàng)目較為特殊，三條水泥生產(chǎn)線余熱鍋爐加兩臺(tái)重油鍋爐共同帶動(dòng)一套25MW的發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)組3條出線到3條水泥線總降，且3條水泥線運(yùn)行工況較為復(fù)雜，具有參考意義。本文將通過此項(xiàng)目案例分析計(jì)算說明不同限流方案的應(yīng)用結(jié)果。

MASS公司原有3條水泥生產(chǎn)線，配有2個(gè)132/33 kV廠外總降，3個(gè)33/6.6 kV廠內(nèi)總降，由兩回132 kV進(jìn)線供電（見圖1），3條水泥生產(chǎn)線均已投運(yùn)，本期新建1臺(tái)25 MW余熱發(fā)電機(jī)組，分3條6.60kV并網(wǎng)線路并入廠內(nèi)總降6.6 kV母線（見圖2）。

圖1 MASS三條水泥線電力系統(tǒng)圖

圖2 余熱發(fā)電主接線圖

當(dāng)余熱發(fā)電不與水泥線總降并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，運(yùn)用ETAP軟件計(jì)算分析水泥線的短路電流（MASS公司只能提供3條水泥線的設(shè)備參數(shù)，外網(wǎng)系統(tǒng)短路容量無(wú)法提供，結(jié)合MASS水泥線的當(dāng)?shù)厍闆r，外網(wǎng)系統(tǒng)短路容量按照估計(jì)值500 MVA給定），見圖3～6。

由計(jì)算結(jié)果可知，余熱發(fā)電機(jī)組接入三條水泥線總降中的任意一個(gè)，短路電流都會(huì)超出現(xiàn)有斷路器的遮斷容量（Id=31.5 kA）。所以必須采取行之有效的限流措施才能保證設(shè)備安全。

2.2 系統(tǒng)短路電流限制方法

余熱發(fā)電采用的限制短路電流的方式通常有這幾種：（1）采用限流電抗器；（2）采用快速限流裝置；（3）改變接線方式（例如提高電壓等級(jí)）。下文仍然以MASS項(xiàng)目為例，簡(jiǎn)單分析各種限流方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

圖3 一線水泥線總降6.6 kV母線三相短路電流有效值Id1=26.86 kA

圖4 二線水泥線總降6.6 kV母線三相短路電流有效值Id2=29 kA

圖5 三線水泥線總降6.6 kV母線三相短路電流有效值Id3=28.21 kA

2.2.1 采用限流電抗器

在電力系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，為了滿足斷路器遮斷容量的要求，通常在余熱發(fā)電機(jī)組出線斷路器處串聯(lián)電抗器，增大短路阻抗，限制短路電流。采用限流電抗器的優(yōu)點(diǎn)是在發(fā)生短路時(shí)，電抗器上的電壓降較大，所以可以起到維持母線電壓水平的作用，使母線上的電壓波動(dòng)較小，保證了非故障線路上的用戶電氣設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，缺點(diǎn)是為了保持線路的壓降在5%內(nèi)，電抗器限制短路電流的能力有限。MASS項(xiàng)目業(yè)主要求余熱發(fā)電機(jī)組同時(shí)接入多個(gè)水泥線總降的6.6 kV母線，這會(huì)導(dǎo)致多個(gè)水泥線電力系統(tǒng)并列運(yùn)行，短路電流異常的大，所以不能采用限流電抗器的限流方式。

圖6 當(dāng)余熱發(fā)電機(jī)組不與水泥線總降并網(wǎng)時(shí)，余熱發(fā)電機(jī)組6.6 kV母線三相短路電流有效值Id4=29.03 kA

2.2.2 采用快速限流裝置

如圖7所示，次暫態(tài)時(shí)第一個(gè)大半波預(yù)期峰值電流可達(dá)到最大值，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過系統(tǒng)開關(guān)設(shè)備及母線的峰值耐受電流額定值31.5 kA，系統(tǒng)設(shè)備的動(dòng)穩(wěn)定將受到電動(dòng)力的破壞。同時(shí)由于斷路器的特性，只有在電流過零時(shí)方能熄弧，所以無(wú)法在第一個(gè)1/4周波初期開斷短路電流，其只能在多個(gè)周波進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)才能熄弧開斷，在此期間隨著熱量的積累，系統(tǒng)設(shè)備還將承受熱穩(wěn)定的破壞。

圖7 無(wú)限流裝置的短路電流變化波形圖

對(duì)于異常高的短路電流第一個(gè)大半波峰值，斷路器由于動(dòng)作太慢不能提供任何保護(hù)，如圖8所示快速限流裝置可以在電流上升的初期（小于1ms）即對(duì)其感知并加以限制，并在短路電流瞬時(shí)值還遠(yuǎn)沒上升到預(yù)期峰值之前將其開斷，所出現(xiàn)的短路電流最大瞬時(shí)值永遠(yuǎn)低于短路電流第一個(gè)大半波峰值。

通常在余熱發(fā)電機(jī)組出線和擬接入的水泥線總降之間串聯(lián)快速限流裝置，當(dāng)水泥線總降或余熱發(fā)電機(jī)組發(fā)生可能超過原系統(tǒng)設(shè)備額定短路容量的短路故障時(shí)，快速限流裝置能在短路電流上升的初始階段即動(dòng)作，在瞬時(shí)電流達(dá)到允許值之前，就解裂余熱發(fā)電和水泥線總降系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，從而將水泥線總降和余熱發(fā)電機(jī)組的短路電流限制在原設(shè)備可以承受的范圍之內(nèi)。

圖8 加限流裝置后的短路電流變化波形圖

快速限流裝置的優(yōu)點(diǎn)是很大程度上可以改善許多原有水泥線電力系統(tǒng)由于短路容量不足而不得不改造的局面，只要原有設(shè)備可以正常運(yùn)行，通過連接快速限流裝置，原有的水泥線電力系統(tǒng)無(wú)需任何改造，即可與新增加的余熱發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)并網(wǎng)，節(jié)省改造投資費(fèi)用，縮短改造周期，而且能充分利用原有設(shè)備，延長(zhǎng)設(shè)備的使用周期。

MASS項(xiàng)目業(yè)主要求余熱發(fā)電機(jī)組接入三個(gè)總降，但是三線水泥線總降跟一、二線水泥線總降的外網(wǎng)來(lái)自不同的系統(tǒng)。由于存在同期問題，余熱發(fā)電機(jī)組最多只能同時(shí)接入一、二線水泥線總降。經(jīng)過余熱發(fā)電機(jī)組接入水泥線總降的短路電流計(jì)算分析，當(dāng)余熱發(fā)電機(jī)組同時(shí)接入一、二線水泥線總降時(shí)且不采取限流措施時(shí)，系統(tǒng)短路電流計(jì)算分析結(jié)果如下：

（1）一線水泥線總降6.6kV母線三相短路電流有效值Id1=75.52kA；

（2）二線水泥線總降6.6 kV母線三相短路電流有效值Id2=75.74kA；

（3）三線水泥線總降6.6kV母線三相短路電流有效值Id3=28.21 kA；

（4）余熱發(fā)電機(jī)組6.6 kV母線三相短路電流有效值Id4=77.06 kA。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，6.6 kV母線最大的三相短路電流有效值為Id4=77.06 kA，這個(gè)數(shù)值在快速限流裝置的能力范圍內(nèi)，采用快速限流裝置的限流措施是可行的。但是這種裝置同樣也存在著缺點(diǎn)，快速限流裝置一旦發(fā)生動(dòng)作，就要更換備件，后期維護(hù)麻煩，成本費(fèi)用較高。

2.2.3 改變接線方式

根據(jù)供電的需要，提高電力系統(tǒng)的電壓等級(jí)可以有效限制短路電流。MASS項(xiàng)目三條水泥線總降的電壓等級(jí)為33kV/6.6kV，經(jīng)過前面的短路電流計(jì)算分析得知，如果余熱發(fā)電機(jī)組直接接入6.6 kV肯定會(huì)超過現(xiàn)有斷路器的遮斷容量，如果把余熱發(fā)電接入水泥線總降33kV側(cè)短路電流會(huì)減少很多，經(jīng)過ETAP軟件仿真計(jì)算分析，當(dāng)余熱發(fā)電機(jī)組出線經(jīng)過6.6/33 kV的升壓變接入水泥線總降33 kV側(cè)時(shí)，此時(shí)的短路電流見表1。

通過表1可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)余熱發(fā)電機(jī)組接入任何一條水泥線時(shí)，只有接入2、3線水泥線總降時(shí)才會(huì)超過斷路器的遮斷容量并且只超出不到1 kA。主要是余熱發(fā)電貢獻(xiàn)的短路電流太大，經(jīng)過再次的討論和計(jì)算在發(fā)電機(jī)出口裝一臺(tái)限流電抗器就可以把短路電流限制在斷路器遮斷容量?jī)?nèi)。在發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)一臺(tái)限流電抗器后，此時(shí)的短路電流見表2。

此時(shí)無(wú)論發(fā)電機(jī)接入那一條水泥線短路電流都會(huì)限制在原有斷路器遮斷容量31.5 kA內(nèi)。綜上所述，此方案理論上可行，優(yōu)點(diǎn)是具有高可靠性，成本較快速限制裝置的方案低，但是缺點(diǎn)是需增加一臺(tái)6.6 kV/33 kV升壓變和一臺(tái)限流電抗器，設(shè)計(jì)的改造問題較多，施工周期和難度增加，后期運(yùn)行損耗也增大。

表1 余熱發(fā)電機(jī)組出線接入水泥泥總降側(cè)時(shí)的短路電流 kA

表2 在發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)限流電抗器時(shí)的短路電流 kA

結(jié)合項(xiàng)目具體情況，經(jīng)過多次跟伊拉克MASS公司的技術(shù)交流和協(xié)商，業(yè)主最終同意采用快速限流裝置來(lái)限制短路電流的方案。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以MASS水泥廠25 MW余熱發(fā)電改造項(xiàng)目為例，簡(jiǎn)單介紹了余熱發(fā)電對(duì)水泥廠短路電流的影響，分析了幾種常見的限流措施的優(yōu)缺點(diǎn)。在水泥廠新增余熱發(fā)電的改造項(xiàng)目中應(yīng)核驗(yàn)原有斷路器的遮斷容量是否能滿足要求，如不滿足要求，須根據(jù)項(xiàng)目的具體情況，遵照安全、可靠、經(jīng)濟(jì)和靈活的原則，采取相應(yīng)的限流措施來(lái)保證電力系統(tǒng)和設(shè)備的安全。