有色冶炼厂余热电站接入系统短路电流的限制措施

孟令柏

(中国恩菲工程技术有限公司 电气及自动化事业部， 北京 100038)

有色冶炼厂余热电站接入系统短路电流的限制措施

孟令柏

(中国恩菲工程技术有限公司 电气及自动化事业部， 北京 100038)

针对有色冶炼厂余热发电站接入系统可能导致接入变电站低压侧短路电流超标的问题，通过对某一大型铜冶炼厂余热发电站接入系统设计中短路电流校验计算，分析比较了各种限流措施的优缺点，并最终选用经济有效、易于实施的限流措施，保证了供电系统的稳定和电气设备的安全运行，为相关的工程设计提供参考。

余热发电站；短路电流；限流电抗器；快速开断限流装置

0 引言

大中型有色金属冶炼厂往往伴有大量余热、高温烟气的排放，为了贯彻国家节能、环保的基本方针，并提高企业的经济效益，目前大部分新建冶炼厂都会将余热发电站纳入项目的总体规划，老旧冶炼厂也陆续开展节能改造新上余热发电系统，以实现对大量余热的综合循环利用。这些余热电站以小型为主，余热发电机组的单机容量一般为1～15 MW。在进行余热电站接入系统设计时，一般将发电机组所发的电能就近并入厂内某区域中压配电站或直接接入厂区的总降压变电站的低压侧母线上，供厂内消化。这种接入系统方式虽然具有变电环节少、投资省、损耗低等优点，但是往往会带来总降压变电站低压侧及发电机出口母线短路电流超标的问题。如何将短路电流限制在合理范围内，是余热发电站接入系统设计中需要重点考虑的问题。本文通过对某大型铜冶炼厂余热发电站接入系统设计中限制短路电流方案的比较，分析比较了各种限流措施的优缺点，为相关的工程设计提供参考。

1 短路电流的限制措施

变电站低压侧短路电流主要取决于系统侧主变压器阻抗，发电机出口母线短路电流主要取决于发电机组的次暂态电抗。在实际工程设计应用中，限制短路电流的措施大致有以下几类[1-2]：

(1)变电站主变压器低压侧分列运行。这种方法简单经济，但是限制了运行方式，缺乏灵活性。

(2)变电站采用高阻抗变压器。这种方案适合接入系统的变电站为新建变电站的情况，否则投资较高。

(3)变电站低压侧或发电站出线侧加装限流电抗器。这种方式虽然可以将短路电流限制在一定范围内，但是限流电抗器正常运行时存在电能损耗大和电压波动大的缺点。

(4)作为第(3)种方案的改进，即采用限流电抗器和快速限流装置并联运行的方式。正常运行时，主回路电流基本全部从快速限流装置流过，限流电抗器被旁路，从而避免了限流电抗器带来的电能损耗和电压波动。当短路故障发生时，快速限流装置迅速分断，将限流电抗器快速投入，使系统短路电流得到有效抑制。

(5)发电站出线侧加装大容量快速开断限流装置[3]。该装置的原理是在短路瞬间接入熔断器，由其在短时(5 ms)内迅速开断短路电流。该方式不采用电抗器，结构简单，由于其快速性，可先于断路器快速切断提供短路电流的电源支路，从而减小总的短路电流。

2 工程实例

2.1 工程概况

某大型铜冶炼厂进行节能减排改造，新建30万t/a富氧顶吹铜熔炼系统。该冶炼厂区内已新建一座110 kV总降压变电站，主变压器容量2×40 MVA，采用10 kV系统向厂区内配电。110 kV降压站的主供电源采用双回路供电，由当地电力设计院设计。

为了利用熔炼系统产生的大量余热,新建一座余热发电站，安装两台8 MW(10.5 MVA)饱和蒸汽发电机组，发电机出口电压10.5 kV。与10 kV系统联络点在新建110/10 kV总降压变电所10 kV系统的两段母线上，每段10 kV母线各接一台发电机。每回并网联络线路只允许一台发电机组并网使用,不允许两台同时并网使用。全厂10 kV系统用电负荷较大，可将发电机的电量全部消化，不向外电网馈出电能。上述系统主接线见图1。

图1 系统主接线图

2.2 设备参数

系统电抗标幺值：X*S=0.01649；

线路L1、L2的电抗标幺值：X*L1=X*L2=0.00272；

主变参数：1#、2#主变压器：SZ11-40000 kVA/110 kV，110±8×1.25%/10.5 kV,短路阻抗Ud=17%；

发电机参数：1#、2#发电机容量：SN=10.5 MVA；超瞬态电抗标么值：X″*d%=18.3；

线路L3、L4：ZRYJV-8.7/10 kV，2(3×240) mm2，l=0.8 km，XL=0.0435 Ω/km。

2.3 短路电流水平校验

根据业主提供的110/10 kV总降压变电站的系统参数，10 kV母线上的三相短路电流有效值I″=26.12 kA。总降压变电站内10 kV进线开关的额定开断电流为40 kA，10 kV出线开关的额定开断电流为31.5 kA。

正常情况下，系统110 kV侧和10 kV侧均分列运行。在不考虑110 kV侧并列运行的情况下，最大短路电流将发生在10 kV侧母联投入，两台发电机组并网到一段10 kV母线运行时，系统等值阻抗图见图2。

图2 系统等值阻抗图

2.3.1 不采取限流措施

参考IEC60909标准计算，单台发电机的短路次暂态电流有效值为3.47 kA，考虑到发电机短路产生冲击系数较高(按照标准IEC60909取1.9计算)，峰值冲击电流为9.32 kA(峰值)，冲击电流有效值为5.60 kA。按短路次暂态电流有效值计，K1点的短路电流有效值为：

I″K1=26.12+2×3.47=33.06 kA>31.5 kA

(1)

式中I″K1—K1点的三相短路电流有效值，kA。

由公式(1)的结果可见，必须采取限流措施以保证总降压变电所10 kV侧短路电流满足设备的开断能力，确保设备的安全运行。

2.3.2 采取限流措施

由于该110 kV总降压变电站先于余热发电站建成投运，考虑到系统供电的可靠性和设备升级改造的成本，前述第(1)、(2)类限制短路电流的措施在本工程中不予考虑。下面分别对第(3)～(5)类限制短路电流的措施进行比较讨论。

方案一，在发电机出口，即图2中的D2、D3处加装限流电抗器(额定电流1500 A，12%)。电抗标幺值X*K=0.419，此时K1点的短路电流有效值为：

I″K1=26.12+2×2.47=31.06 kA<31.5 kA

(2)

由公式(2)可见，在发电机出口加装限流电抗器，总降压变电站10 kV母线上的短路电流勉强可以限制在设备的开断范围内，限流效果不明显。

方案二，在主变压器低压侧，即图2中的D1处，加装限流电抗器(额定电流3000 A，10%)[4]。电抗标幺值X*K=0.175，此时K1点的短路电流有效值为：

I″K1=21.89+2×3.47=28.83 kA<31.5 kA

(3)

在由公式(3)可见，主变压器低压侧加装限流电抗器的限流效果十分明显，可以满足出口开关设备分断能力的要求。但是这种方式有其固有的缺陷，由于电抗器一直串接在回路中，增大了电能损耗，同时也会影响供电电压质量。

方案三，为了克服方案二的缺陷，采取限流电抗器和快速限流装置并联运行的方式。这种方案保留了同方案二相同的限流效果，可以满足项目对短路电流的限制要求。但由于总降压变电站在规划初期未预留限流电抗器的位置，这种措施实施存在较大的难度。

方案四，在发电机出口，即图2中的D2、D3处加装大容量快速开断限流装置(额定电流2000 A,动作电流2 kA)。由于该装置将发电机出口电流限制在2 kA以内，故发生短路时K1点的短路电流有效值为：

I″K1=26.12 kA<31.5 kA

(4)

在由公式(4)的结果可见，这种限流方案可以满足总降压变电站10 kV侧开关设备分断能力的要求，并且不需要对已建成的总降压变电站进行改造。

2.4 限流措施效果分析

综合上述短路电流校验结果，并结合本工程的实际情况，对上述各类限流方案的优缺点进行比较见表1。

表1 各限流方案优缺点对比表

根据表1的对比结果，本项目最终采用方案四，即在发电机出口加装大容量快速开断限流装置的限流方案。该项目于2011年投入运行，两年多来设备运行状况良好。

3 结论

在进行有色冶炼厂余热发电站接入系统设计时，必须校验发电机对接入变电站低压侧短路电流的影响，通过多个方案的比较，采取经济有效、易于实施的限流措施，以保证供电系统的稳定和电气设备的安全运行。本文通过对某大型铜冶炼厂余热发电站接入系统设计中短路电流校验计算，分析比较了各种限流措施的优缺点，为相关的工程设计提供参考。

[1] 水利电力部西北电力设计院.电力工程电气设计手册(电气一次部分)[M].北京：水利电力出版社，1998.

[2] 中国航空工业规划设计研究院等.工业与民用配电设计手册(第三版)[M].北京：中国电力出版社，2005.

[3] 徐向东.快速限流装置在电力系统中的应用[J].高压电器，2007，43(4)：295-297.

[4] 周静华.变电站低压侧限流电抗器电抗值的选择[J].供用电，2009，26(3)：48-49.

Methods of Limiting Low Voltage Side Short-circuit Current of Connected Substation in Nonferrous Smelting Waste-heat Generator Plants

MENG Ling-bai

(Electrical and Automation Department, China ENFI Engineering Corporation, Beijing 100038, China)

When a waste-heat generator plant is connected to the grid, the short-circuit current is often out of the limit. To solve this problem, four short-circuit current limiting methods are discussed for a practical engineering case. An economic, effective and convenient method is suggested. This case provides a reference for other relevant designs.

waste-heat generator plant；short-circuit current；current limiting reactor；high-speed protective device

2013-12-12

孟令柏(1978-)，女，河北迁安人，工程师，硕士研究生，主要从事电气及自动化设计工作。

TM471

B

1003-8884(2014)03-0040-03