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

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。