一起工矿企业供电系统短路电流超标案例计算分析

0引言

本文要讨论的是一套主变压器容量为31.5 MvA的双回路供电系统,理论上在功率因数控制在0.95的情况下,可以承载约29.9 MW的有功功率;可是在装置扩容设计过程中,却连28 MW的负荷都无法承担,原因是中压系统短路电流超标。下文通过对短路电流的计算,分析短路电流升高的原因,并提出提高供电系统带负载能力的解决方案。

1 供电系统介绍

该企业为危险化工生产企业,其大部分负荷为一、二级重要负荷,因此为满足安全要求,采用双重电源供电。示意图如图1所示,供电系统进线为两路110kv 电源,各带一段母线,每段母线各带一台31.5 MVA 主变。110 kv母线形式为双回路供电,单母线分段运行,母联备自投。变压器为双绕组有载调压变压器,变压器阻抗电压分别为11.61%和11.77%,按照设计要求,正常生产期间变压器负荷率不得超过50%,即当一台变压器出现故障时,另一台变压器可以带全部负荷正常生产。

装置区内共设有三座6 kv站,其中一座位于主变压器二次侧,是总降压变电站的6 kv站点;另外两座分别是I工段和Ⅱ工段的6 kv变电站,由总变电站6 kv变电所供电。三个站点6 kv母线形式均为双回路供电,单母线分段运行,母联备自投。站点之间距离不超过400 m,且均为交联铜电缆连接。站点与各用电设备之间距离在300 m以内,同样均为交联铜电缆连接。三个站点的6 kv断路器额定分段电流均为40 kA。受篇幅限制,图1中将6 kv母线简化成两段,也便于后续计算。

I工段和Ⅱ工段下各设一座低压变电所,均配备两台2 500 kvA的低压变压器。低压变电所母线形式均为双回路供电,单母线分段运行,母联备自投。图1中未对低压变电所做过多描绘,一并算作现场用电设备。

目前装置中满负荷正常生产期间用电有功功率约为28 MW,中压系统用电设备中除4台低压变压器外均为异步电动机设备。其中,低压变压器为满足双回路要求,负荷率在50%以下。中压系统异步电动机功率范围涵盖200~5 900 kW,正常运行时负荷率在80%~90%,电动机总体运行负荷占总负荷的90%以上。短路电流超标的情况出现在中压系统,此时系统的最大运行方式为:110kv母联断开解备,一条110 kv进线带一台主变运行,6 kv和0.4 kv系统母联闭合,一条进线带全站运行。整个供电系统由一台主变带全部负荷运行。

2短路电流计算

本次要计算的是最大运行方式下6 kv母线K点短路电流,用于确定系统运行时的短路上限,帮助判定供电系统硬件配置容量是否合适。本次不再计算最小运行方式下的短路电流,不考虑继电保护动作灵敏度的问题。

计算的主要依据是IEC法^[1]中三相短路电流的计算方法,因为最大短路电流不会发生在单相接地以及两相短路期间。最大短路电流的计算原则包含以下方面:

1)最大短路电流系数Cmax取值1.10,短路时系统电压为CmaxUn/√3,Un为系统额定电压;

2)考虑馈电网络可能的最大贡献,110 kv馈电网卡可以按照无穷大来考虑,因此110 kv电网系统不会对短路电流造成限制;

3)化工工业电网系统要考虑低压异步电动机的影响;

4)计算最大短路电流时要考虑中压异步电动机的影响;

5)系统连接采用交联铜电缆,且距离较近,线路电阻R_L小,忽略不计。

第一步,计算单馈入短路阻抗。

计算变压器相关参数:根据Z_T=Ukr/100%·U²_rT/S_rT计算主变压器阻抗^[2],式中U_rT为变压器额定电压,S_rT为变压器额定容量,ukr为阻抗电压。根据R_T=P_krT/3I²_rT计算主变压器电阻,式中P_krT为变压器负载损耗,I_rT为变压器额定电流。根据XT=√Z²_T-R²_T计算主变压器电抗。代入变压器参数可得Z_T为0.1463Ω,R_T为0.0054Ω,X_T为0.1462Ω。

计算变压器校正系数:根据

计算变压器校正系数,式中ub为短路前最高运行电压,

,I^b_T为短路前最高运行电流,φ^b_T为短路前功率因数角。代入数据可得K_T=1.085 4。

计算单馈入短路阻抗:根据式Z_TK=K_T·Z_T计算变压器修正阻抗得Z_TK=0.158 8 Ω。

第二步,计算馈线提供的短路电流。

代入I''_k=CmaxU_n/√3Z_TK可得三相短路电流,代入数据经计算馈线提供短路电流为25.2 kA。

第三步,验证低压异步电动机对短路电流的影响。

当不等式成立时可忽略低压异步电动机对中压系统的短路电流贡献。 式中ΣP_rM为需要考虑的低压电动机功率之和,ΣS_rT为给电动机供电的变压器容量之和,c为电压系数,取1.10,U_nQ为变压器一次侧系统标称电压,I''_kQ为忽略电动机时变压器一次侧对称短路电流初始值。经统计,四台低压变压器中单台负载最大负荷588 kw,代入数据可得不等式两边为0.28≤3.33,不等式成立,则不考虑低压侧异步电动机对中压系统短路电流的影响。

第四步,计算中压异步电动机对短路电流的影响。

根据公式,单台异步电动机三相短路电流初始值为I''_k3M=CmaxU_n/√3ZM,其中Z_M为电动机阻抗,计算值为Z_M= 1/(T_LR/I_rM)·U_rM/√3I_rM,式中U_rM为电动机额定电压,与Un相等,I_rM为电动机额定电流,I_LR/I_rM为转子堵转电流与电动机额定电流之比(由电动机本身特性决定,当前运行的电动机在6~7之间,这里取6.6)。将Z_M代入等式简化后可得,I''_k3M=Cmax·(I_LR/I_rM)·I_rM。将装置中电动机额定电流代入式中,可得装置中所有电动机提供的三相短路电流ΣI''_k3M=19.5 kA。

应当注意到,异步电动机的反馈电流与电动机的转子堵转电流正相关,随着国家对电动机能耗水平的要求越来越高,电动机转子堵转电流比值越来越高,有些已经趋近于10,因此在一级能耗等级电动机应用较多的企业更加应该引起对短路电流的重视。

合计第二步和第四步得出中压系统最大运行方式下短路电流为44.7 kA。

通过ETAP简化建模潮流分析(图2)验证与计算结果基本一致。

结论:中压系统短路电流超过中压断路器额定分段电流40 kA,供电系统存在安全隐患^[3]。

3供电系统优化建议

1)禁止母联合闸,并将运行负荷均匀分配在两段母线下,进而均匀分配电动机的反馈电流,使单独每段的短路电流达标。该运行方式虽然限制了短路电流,但却影响了整个供电系统的双回路供电可靠性。

2)使用大分段能力的断路器。可选择将整个中压系统断路器更换成50 kA分段能力的断路器。该方法虽然没有限制短路电流,但做到了整个供电系统容量的匹配。该方法需要一定的资金投入,且对断路器的质量提出了较高的要求。

3)加限流电抗器与高速开关的组合。可以采用在变压器二次侧增加限流电抗器与爆炸桥高速开关并联的限流措施。由于限流电抗器的体积相对较大,在改造项 目中应用的话,就要求原变电站有较大的预留空间,否则通过母线连接也是一笔可观的费用。

4)更换高阻抗变压器。可以将现有低阻抗变压器更换为高阻抗变压器。该方案中原有变压器的处理相对比较麻烦,且高阻抗变压器在后期的使用中负载损耗相对更高,运行经济性不如低阻抗变压器。

5)更换为多个小变压器。该方案中原有变压器的处理依然较为麻烦,且多台变压器均要接到110 kv母线上,增加了供电系统结构的复杂性,还要考虑到110 kv母线的形式,国标要求6回路以上应采用双母线,110 kv系统的双母线成本相对较高。

6)对于新建装置可以考虑用10 kv中压系统代替6 kv中压系统,从而在增加系统容量的同时有效控制短路电流,且同等负载状态下10 kv系统线路损耗小于6 kv系统,因而具有更加优秀的节能降耗效果。

以上建议优劣势不一而足,仅供有相关需求的企事业单位参考。

[参考文献]

[1] 李明,孙晶晶.GB/T 15544短路电流计算与实用短路计算比较分析[J].电气应用,2019,38(9):47-51.

[2] 杨立斌.主变压器低压侧10kv相间短路故障分析及短路电流抑制[J].氯碱工业,2020,56(2):5-7.

[3]兰洲.电力系统短路电流估算及断路器选择[J].电世界,2023,64(6):28-35.

2024年第23期第4篇