水泥厂余热发电对系统短路电流的影响及限制措施

李传祥，邓国平（中国中材国际工程股份有限公司（南京），江苏 南京 211100）

1 限制短路电流的必要性

短路（Short circuit）是指在正常电路中电势不同的两点不正确地直接碰接或被阻抗（或电阻）非常小的导体接通时的情况。短路时电流强度很大，往往会损坏电气设备或引起火灾。例如，在发电机发生短路时，流过发电机的短路电流最大瞬时值可达额定电流的10～15倍。大容量电力系统中，短路电流可达数万安。这会对电力系统的正常运行造成严重影响和后果。

短路电流将引起下列严重后果：短路电流往往会有电弧产生，它不仅能烧坏故障元件本身，也可能烧坏周围设备和伤害周围人员。巨大的短路电流通过导体时，一方面会造成导体过热，绝缘损坏；另一方面巨大的短路电流还将产生很大的电动力作用于导体，使导体变形或损坏。短路故障可能会同时引起系统电压大幅度降低，特别是靠近短路点处的电压降低得更多，从而可能导致部分用户或全部用户的供电遭到破坏，使供电设备的正常工作受到损坏，也可能导致工厂的产品报废或设备损坏，如电动机过热受损等。电力系统中出现短路故障时，系统功率分布的突然变化和电压的严重下降，也可能破坏各发电厂并联运行的稳定性，使整个系统解列。短路电流具有很大危害，必须在短时间内跳开断路器切断短路电路，断路器的短路电流能力有限，在设计选型时应计算短路电流，选择对应的断路器等一次设备，并且根据短路电流计算结果校验断路器、电缆等其他一次设备和整定保护装置的保护定值。

随着余热发电的技术日益成熟，国家对能源的重视和对节能减排的扶持，工业和信息化部关于部分产能严重过剩行业产能置换实施办法通知的发布，越来越多的可利用余热的企业都意识到了余热发电所带来的效益，对发展余热发电项目持积极态度。余热发电改造项目越来越多，在改造过程中经常会遇到这种问题，一些比较老旧的水泥厂在余热发电机组并网后，会出现短路遮断容量不够的情况，必须对增加的短路电流加以限制，把短路电流限制在设备遮断容量范围内，保证电力系统和设备安全。

2 余热发电对系统短路电流的影响

新建的余热发电系统与水泥线总降并网运行后，会使系统短路电流增加，此时应重新计算系统短路电流，校验断路器的遮断容量，如果超出现有断路器的遮断容量应采取相应的限流措施，保证最大短路电流不超过现有断路器的遮断容量。

2.1 系统短路电流分析

以伊拉克MASS集团25MW余热发电改造项目为例，此项目较为特殊，三条水泥生产线余热锅炉加两台重油锅炉共同带动一套25MW的发电机组，发电机组3条出线到3条水泥线总降，且3条水泥线运行工况较为复杂，具有参考意义。本文将通过此项目案例分析计算说明不同限流方案的应用结果。

MASS公司原有3条水泥生产线，配有2个132/33 kV厂外总降，3个33/6.6 kV厂内总降，由两回132 kV进线供电（见图1），3条水泥生产线均已投运，本期新建1台25 MW余热发电机组，分3条6.60kV并网线路并入厂内总降6.6 kV母线（见图2）。

图1 MASS三条水泥线电力系统图

图2 余热发电主接线图

当余热发电不与水泥线总降并网运行时，运用ETAP软件计算分析水泥线的短路电流（MASS公司只能提供3条水泥线的设备参数，外网系统短路容量无法提供，结合MASS水泥线的当地情况，外网系统短路容量按照估计值500 MVA给定），见图3～6。

由计算结果可知，余热发电机组接入三条水泥线总降中的任意一个，短路电流都会超出现有断路器的遮断容量（Id=31.5 kA）。所以必须采取行之有效的限流措施才能保证设备安全。

2.2 系统短路电流限制方法

余热发电采用的限制短路电流的方式通常有这几种：（1）采用限流电抗器；（2）采用快速限流装置；（3）改变接线方式（例如提高电压等级）。下文仍然以MASS项目为例，简单分析各种限流方式的优缺点。

图3 一线水泥线总降6.6 kV母线三相短路电流有效值Id1=26.86 kA

图4 二线水泥线总降6.6 kV母线三相短路电流有效值Id2=29 kA

图5 三线水泥线总降6.6 kV母线三相短路电流有效值Id3=28.21 kA

2.2.1 采用限流电抗器

在电力系统发生短路时，为了满足断路器遮断容量的要求，通常在余热发电机组出线断路器处串联电抗器，增大短路阻抗，限制短路电流。采用限流电抗器的优点是在发生短路时，电抗器上的电压降较大，所以可以起到维持母线电压水平的作用，使母线上的电压波动较小，保证了非故障线路上的用户电气设备运行的稳定性，缺点是为了保持线路的压降在5%内，电抗器限制短路电流的能力有限。MASS项目业主要求余热发电机组同时接入多个水泥线总降的6.6 kV母线，这会导致多个水泥线电力系统并列运行，短路电流异常的大，所以不能采用限流电抗器的限流方式。

图6 当余热发电机组不与水泥线总降并网时，余热发电机组6.6 kV母线三相短路电流有效值Id4=29.03 kA

2.2.2 采用快速限流装置

如图7所示，次暂态时第一个大半波预期峰值电流可达到最大值，远远超过系统开关设备及母线的峰值耐受电流额定值31.5 kA，系统设备的动稳定将受到电动力的破坏。同时由于断路器的特性，只有在电流过零时方能熄弧，所以无法在第一个1/4周波初期开断短路电流，其只能在多个周波进入稳态时才能熄弧开断，在此期间随着热量的积累，系统设备还将承受热稳定的破坏。

图7 无限流装置的短路电流变化波形图

对于异常高的短路电流第一个大半波峰值，断路器由于动作太慢不能提供任何保护，如图8所示快速限流装置可以在电流上升的初期（小于1ms）即对其感知并加以限制，并在短路电流瞬时值还远没上升到预期峰值之前将其开断，所出现的短路电流最大瞬时值永远低于短路电流第一个大半波峰值。

通常在余热发电机组出线和拟接入的水泥线总降之间串联快速限流装置，当水泥线总降或余热发电机组发生可能超过原系统设备额定短路容量的短路故障时，快速限流装置能在短路电流上升的初始阶段即动作，在瞬时电流达到允许值之前，就解裂余热发电和水泥线总降系统网络，从而将水泥线总降和余热发电机组的短路电流限制在原设备可以承受的范围之内。

图8 加限流装置后的短路电流变化波形图

快速限流装置的优点是很大程度上可以改善许多原有水泥线电力系统由于短路容量不足而不得不改造的局面，只要原有设备可以正常运行，通过连接快速限流装置，原有的水泥线电力系统无需任何改造，即可与新增加的余热发电机组系统并网，节省改造投资费用，缩短改造周期，而且能充分利用原有设备，延长设备的使用周期。

MASS项目业主要求余热发电机组接入三个总降，但是三线水泥线总降跟一、二线水泥线总降的外网来自不同的系统。由于存在同期问题，余热发电机组最多只能同时接入一、二线水泥线总降。经过余热发电机组接入水泥线总降的短路电流计算分析，当余热发电机组同时接入一、二线水泥线总降时且不采取限流措施时，系统短路电流计算分析结果如下：

（1）一线水泥线总降6.6kV母线三相短路电流有效值Id1=75.52kA；

（2）二线水泥线总降6.6 kV母线三相短路电流有效值Id2=75.74kA；

（3）三线水泥线总降6.6kV母线三相短路电流有效值Id3=28.21 kA；

（4）余热发电机组6.6 kV母线三相短路电流有效值Id4=77.06 kA。

根据上述计算结果，6.6 kV母线最大的三相短路电流有效值为Id4=77.06 kA，这个数值在快速限流装置的能力范围内，采用快速限流装置的限流措施是可行的。但是这种装置同样也存在着缺点，快速限流装置一旦发生动作，就要更换备件，后期维护麻烦，成本费用较高。

2.2.3 改变接线方式

根据供电的需要，提高电力系统的电压等级可以有效限制短路电流。MASS项目三条水泥线总降的电压等级为33kV/6.6kV，经过前面的短路电流计算分析得知，如果余热发电机组直接接入6.6 kV肯定会超过现有断路器的遮断容量，如果把余热发电接入水泥线总降33kV侧短路电流会减少很多，经过ETAP软件仿真计算分析，当余热发电机组出线经过6.6/33 kV的升压变接入水泥线总降33 kV侧时，此时的短路电流见表1。

通过表1可以发现当余热发电机组接入任何一条水泥线时，只有接入2、3线水泥线总降时才会超过断路器的遮断容量并且只超出不到1 kA。主要是余热发电贡献的短路电流太大，经过再次的讨论和计算在发电机出口装一台限流电抗器就可以把短路电流限制在断路器遮断容量内。在发电机出口装设一台限流电抗器后，此时的短路电流见表2。

此时无论发电机接入那一条水泥线短路电流都会限制在原有断路器遮断容量31.5 kA内。综上所述，此方案理论上可行，优点是具有高可靠性，成本较快速限制装置的方案低，但是缺点是需增加一台6.6 kV/33 kV升压变和一台限流电抗器，设计的改造问题较多，施工周期和难度增加，后期运行损耗也增大。

表1 余热发电机组出线接入水泥泥总降侧时的短路电流 kA

表2 在发电机出口装设限流电抗器时的短路电流 kA

结合项目具体情况，经过多次跟伊拉克MASS公司的技术交流和协商，业主最终同意采用快速限流装置来限制短路电流的方案。

3 结语

本文以MASS水泥厂25 MW余热发电改造项目为例，简单介绍了余热发电对水泥厂短路电流的影响，分析了几种常见的限流措施的优缺点。在水泥厂新增余热发电的改造项目中应核验原有断路器的遮断容量是否能满足要求，如不满足要求，须根据项目的具体情况，遵照安全、可靠、经济和灵活的原则，采取相应的限流措施来保证电力系统和设备的安全。