短路電流限制措施在煤礦供電設(shè)計(jì)的應(yīng)用

孫 劍

(太原科技大學(xué), 山西 太原 030024)

0 引 言

隨著電網(wǎng)建設(shè),電網(wǎng)容量不斷擴(kuò)大,電力系統(tǒng)阻抗不斷減少,短路電流持續(xù)增大,出現(xiàn)了超過對煤礦井下隔爆設(shè)備分?jǐn)嗳萘康那闆r。雖然現(xiàn)在井下隔爆設(shè)備不斷發(fā)展,研發(fā)出大短路電流開關(guān),但老舊礦井?dāng)?shù)量龐大,大面積更換設(shè)備難度很大,而且對于新建礦井也存在分?jǐn)嗳萘看蟮拈_關(guān)造價(jià)過高等問題。

1 問題提出

電網(wǎng)短路電流是指在斷路器的出口處三相金屬性短路電流。斷路器在制造上要有電氣、機(jī)械強(qiáng)度和熄弧能力,用于分?jǐn)嗷蚪油ㄘ?fù)荷電路,還要有分?jǐn)嘧畲笕喽搪冯娏鞯哪芰ΑＨ绻娏W(wǎng)發(fā)生三相短路故障,短路電流大于斷路器的最大分?jǐn)嚯娏?斷路器將不能分?jǐn)喙收想娏?將造成供電中斷或電力電纜和變壓器等電氣設(shè)備著火事故[1]。受技術(shù)水平限制和電網(wǎng)實(shí)際情況,我國多年來隔爆斷路器開斷能力限制在12.5 kA,近些年出現(xiàn)了16 kA、20 kA設(shè)備,但普及率比較低,因設(shè)備成本造價(jià)過高,因此安裝限流電抗器在變電站出口或者坑口具有較高應(yīng)用價(jià)值[2]。山西煤電集團(tuán)某變電站項(xiàng)目中,由于是改造擴(kuò)建煤礦,井下實(shí)際存在大量使用分?jǐn)嗄芰?2.5 kA設(shè)備,業(yè)主方要求繼續(xù)利用,故該項(xiàng)目有限制短路電流的實(shí)際需要。

煤礦隔爆設(shè)備分?jǐn)嗳萘壳闆r:根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第四百五十三條規(guī)定,井下電力網(wǎng)的短路電流不得超過其控制用的斷路器在井下使用的分?jǐn)嗄芰?并應(yīng)校驗(yàn)電纜的熱穩(wěn)定性[2]。

煤礦井濕度大,煤塵和CO2、NO、NO2、SO2等含量高,非煤礦用高壓斷路器在井下使用時(shí),各種使用指標(biāo)如機(jī)械強(qiáng)度、絕緣等級都有減弱。此時(shí)分?jǐn)嚯娏鞯扔诨虺^其額定值時(shí)會(huì)發(fā)生弧光放電,造成高壓斷路器事故,甚至造成煤礦爆炸事故,直接威脅礦井和井下作業(yè)人員安全[2]。

2 項(xiàng)目概況

山西煤電集團(tuán)某變電站根據(jù)集團(tuán)規(guī)劃,將現(xiàn)有礦擴(kuò)建成為10.0 Mt/a左右的特大型現(xiàn)代化礦井。規(guī)劃的新開工(新建和改擴(kuò)建)煤礦備選項(xiàng)目于2008年開工建設(shè),礦井生產(chǎn)能力5.0 Mt/a。礦井具備了擴(kuò)建特大型礦井的條件。為了解決新增負(fù)荷的供電問題,改善網(wǎng)架結(jié)構(gòu),增加供電能力,提高供電可靠性,新建一座110 kV變電站。根據(jù)規(guī)劃最終建設(shè)規(guī)模:主變壓器為3×40 MVA有載調(diào)壓變壓器,電壓等級110/35/10.5 kV。

為了保證煤炭行業(yè)供電可靠性,采用雙電源供電設(shè)計(jì),按照一級負(fù)荷的供電電源要求接入系統(tǒng)。第一電源(主供)由山西某220 kV變電站供電,第二電源由某110 kV變電站供電。

3 短路電流計(jì)算和主要設(shè)備選型

3.1 短路電流計(jì)算

按最終規(guī)模3×40 000 kVA計(jì)算,主供電源參照該220 kV變電站2015年110 kV母線短路電流計(jì)算結(jié)果,110 kV母線短路容量為763 MVA,短路電流為4.0 kA。該項(xiàng)目中短路電流計(jì)算根據(jù)基本假定條件[1]。

3.2 基準(zhǔn)值計(jì)算

取基準(zhǔn)容量Sj=1 000 MVA,采用標(biāo)幺值計(jì)算,只計(jì)算各元件電抗,如發(fā)電機(jī)、變壓器、電抗器、線路等。

3.3 各元件參數(shù)標(biāo)幺值計(jì)算

3.4 系統(tǒng)側(cè)阻抗計(jì)算

根據(jù)系統(tǒng)參數(shù),系統(tǒng)側(cè)阻抗值X*=(Sj/S″d)=1.31,其中S″d為短路容量。

3.5 線路阻抗計(jì)算

該項(xiàng)目主供電源系統(tǒng)阻抗較小的電源為某220 kV變電站電源,線路長度約30 km,采用LGJ-240/30導(dǎo)線,水平排列。線路標(biāo)幺值X*L=XSj/U2j,有名值X=0.145lgD/(0.789r),其中r為導(dǎo)線半徑,D為導(dǎo)線幾何均距。簡化后經(jīng)驗(yàn)值為X=0.4 Ω/km。根據(jù)該項(xiàng)目情況及簡化經(jīng)驗(yàn)公式,得線路阻抗X*L=0.907。

3.6 變壓器及電抗器的標(biāo)幺值計(jì)算

該項(xiàng)目選用三圈變壓器容量SN=40 MVA,YNyn0d11、Ud12%=10.5,Ud13%=18.0,Ud23%=6.5。變壓器標(biāo)幺值X*d12=2.625,X*d23=4.5,X*d13=1.625;有名值Xd12=34.7 Ω,Xd23=5.51 Ω,Xd31=0.18 Ω。選用三圈變壓器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變換,對應(yīng)各側(cè)阻抗計(jì)算。

3.7 網(wǎng)絡(luò)變換

該電站3臺變壓器全部投入運(yùn)行,該220 kV變電站110 kV母線供電系統(tǒng)為最大系統(tǒng)。變電站系統(tǒng)接線示意圖如圖1所示,等效阻抗變換圖如圖2所示。

圖1 變電站系統(tǒng)接線示意圖

圖2 等效阻抗變換圖

3.8 選擇電抗器

根據(jù)短路計(jì)算結(jié)果和本地用電設(shè)備實(shí)際情況,采用限流電抗器將短路電流限制在12.5 kA以內(nèi),相對于大面積更換井下隔爆設(shè)備更加經(jīng)濟(jì)合理和具有可操作性[3-6]。因此,對該變電站新建的設(shè)計(jì)中增加限流電抗器,使得井下現(xiàn)有設(shè)備滿足新供電系統(tǒng)要求,同時(shí)降低煤礦企業(yè)投資成本,更換或擴(kuò)建新設(shè)備時(shí)仍然可采用分?jǐn)嗳萘?2.5 kA的產(chǎn)品。

該項(xiàng)目選用電抗器額定電壓10.5 kV,額定電流2 500 A,UK=8%,故電抗器標(biāo)幺值X*k=1.76,有名值Xk=0.194。

3.9 軟件校驗(yàn)

經(jīng)驗(yàn)算加入電抗器后滿足該站10 kV出線直接下井對現(xiàn)有設(shè)備要求,使用軟件仿真校驗(yàn)。瞬時(shí)功率數(shù)據(jù)如表1所示,預(yù)設(shè)短路電壓為100%母線電壓。

表1 瞬時(shí)功率數(shù)據(jù)

仿真運(yùn)行結(jié)果表明,選擇電抗器能滿足設(shè)計(jì)要求。

仿真結(jié)果與計(jì)算差異原因分析:驗(yàn)算軟件ETAP在選擇設(shè)備時(shí),自動(dòng)錄入了設(shè)備實(shí)際電阻、電抗等參數(shù);仿真采用實(shí)際設(shè)備參數(shù),含有設(shè)備電阻計(jì)算,而標(biāo)幺值計(jì)算為純電抗計(jì)算,忽略電阻影響情況,故仿真數(shù)據(jù)略小于實(shí)際計(jì)算數(shù)據(jù),與實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行情況更為接近。

3.10 設(shè)備選型

主變壓器選用SSZ10- 40000/110 型三繞組自冷式有載調(diào)壓變壓器,110±8×1.25%/38.5±2×2.5%/10.5,YNyn0d11,Uk12%=10.5,Uk13%=18.0,Uk23%=6.5,附零序電流互感器LRB-63,100～300/5A 5P20 20VA。

主變壓器中性點(diǎn)隔離開關(guān)型號為GW13-72.5,額定電流為630 A,熱穩(wěn)定電流為20 kA,配CJ2電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)。主變壓器中性點(diǎn)間隙互感器型號為LJW1-10W 150/5 5P20/5P20 20VA。

10 kV限流電抗器:為限制下井電源的短路電流,根據(jù)項(xiàng)目情況裝設(shè)9臺單相10 kV限流電抗器,分3組分別裝設(shè)在Ⅰ段、Ⅱ段和Ⅲ段10 kV戶外進(jìn)線段,根據(jù)10 kV母線短路電流與下井電源要求控制短路電流(12.5 kA)。經(jīng)計(jì)算選擇在10 kV母線進(jìn)線段裝設(shè)2 500 A電抗值8%,單相電能損耗約為14.22 kW。

4 結(jié) 語

采用變電站內(nèi)限流措施后,幾年來變電站運(yùn)行平穩(wěn),因此認(rèn)為采用限流電抗器方式限制短路電流是可行的。由于直接下井回路較多,設(shè)計(jì)安裝在變壓器出口處,下井電纜較少的變電站限制短路電流時(shí)也可設(shè)計(jì)安裝在下井坑口,減小限流電抗器容量要求。