发电厂低压柴油发电机配电系统短路电流计算

罗 楠，杨 冰，邓 辉，陶佳燕

（1.中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071；2.国网武汉供电公司，湖北 武汉 430050）

0 引 言

发电厂是将其他形式的能量转化为电能的场所，其中火力发电厂是目前我国发电厂中占比最大的一种形式。火电厂的能量转化过程比较复杂，燃烧的化学能通过锅炉吸热转化为蒸汽的热能，蒸汽推动汽轮机做功，转化为汽轮发电机转子的机械能，发电机转子切割磁感线转化为电能。整个过程涉及的工艺系统也比较多，如输煤、化水、汽机、锅炉以及供水等。火力发电厂电气专业除了将发电机发出的电能持续可靠地外送至电力系统外，还要为发电厂内所有工艺的专业设备提供安全稳定的电源系统，以保障整个发电厂正常运行。

按照火力发电厂的厂用电负荷对人身安全和设备安全的重要性，可将其分为非0类负荷和0类负荷。

非0类负荷停电不会影响人身安全和设备安全，因此对于此类（I，II，III类）中75 kW以下的厂用电负荷，通常由1个双电源供电的电动机控制中心（MCC）供电，对接有I类负荷的电动机控制中心双电源应自动切换，仅接有II类负荷的电动机控制中心双电源可手动切换。简单来说，对于75 kW以下的非0类负荷，自动/手动切换的双电源MCC即可满足供电要求。

0类负荷停电将直接影响人身安全和设备安全，因此0类负荷供电可靠性要求更高。在机组停机或正常电源失电后，OI类负荷应由交流不间断电源（UPS）连续供电，0II类负荷应由直流电源供电，0III类负荷应由交流保安电源系统（柴油发电机组）供电。

交流保安MCC较非0类负荷供电的MCC增加了一路低压交流保安电源，即由双电源切换的MCC变为了三电源切换的MCC，且其中一路电源由柴油发电机组供电。交流保安MCC短路水平是否会因为柴油发电机组电源的引入而提高，是本文要研究的问题。

1 柴油发电机配电系统切换逻辑

柴油发电机配电系统简图如图1所示。

1.1 保安电源切换逻辑

正常运行时保安母线段（保安MCC）应由本机组的低压明或暗备用动力中心供电（互为备用的两路工作电源），当确认本机组动力中心真正失电（两路工作电源失电）后应能切换到交流保安电源（备用电源）供电。工作电源失电，启动柴油发电机组，当达到额定转速并建立电压后，闭合发电机出口断路器（CB1），当检测到保安PC电压正常后，跳开保安MCC工作电源断路器（CB4/CB5），确认保安MCC工作电源断路器分闸位置后，合闸保安PC馈线断路器（CB2），最后合闸保安MCC备用电源断路器（CB3）。

图1 柴油发电机配电系统简图

1.2 工作电源恢复后切换逻辑

若一段时间后故障解除，本机组动力中心恢复供电，则柴油机控制系统将收到串联切换或者并联切换信号以及恢复厂用电命令，系统启动逆向切换程序，将各保安MCC由备用电源切换至工作电源供电。

当收到串联切换信号时，程序控制系统首先跳开保安MCC备用电源断路器（CB3），当检测到备用电源断路器处于分位后，再闭合工作电源断路器（CB4/CB5）。在此切换方式下，保安MCC从始至终只有一路进线电源，无两路电源并列的情况。

当收到并联切换信号时，程序控制系统采用同期合闸方式，先合该保安MCC段工作电源断路器（CB4/CB5），再跳开备用电源断路器（CB3）。并联切换过程中，保安MCC存在工作电源和备用电源短时并列的情况，若此时保安MCC发生短路故障，则除了厂用电系统均会为保安MCC提供短路电流，保安MCC供电的电动机会出现较大的反馈电流以外，柴油发电机系统也会对保安MCC提供短路电流，这些短路电流将一起对系统的开关设备造成破坏。与火力发电厂其他动力中心短路相比，保安MCC短路增加了柴油发电机系统短路电流，在柴油发电机系统配电设备选型时，需要充分考虑此种极端情况下的短路冲击。

本文介绍了用一个等效电压源计算低压柴油发电机配电系统短路电流的方法，并结合工程实例进行相关计算。

2 短路电流计算

短路电流计算需要以如下条件为基础：短路类型不会随短路的持续时间而变化；电网结构不随短路持续时间变化；不计电弧的电阻；除零序系统外，忽略所有线路电容、并联导纳、非旋转型负荷。虽然这些假设并不严格成立，但是可以给出准确度较高的结果。

2.1 柴油发电机组短路电流

发电机是电感性元件，当发电机发生短路时，电压瞬间降低，但电感元件的电流是不能突变的，所以电感元件中的磁场将产生一个反电势，来维持电流逐渐变小。对于远端和近端短路，都可用一等效电压源计算短路电流。短路点用等效电压源代替，该电压源为网络的唯一电压源，其他电源（如电动机和馈电网络的电势）都视为零，并以自身内阻抗代替。在低压电网中，发电机不经过变压器直接接入电网，计算对称短路电流初始值时，发电机正序阻抗为：

式（1）中：X''d为发电机直轴超瞬变电抗；KG为校正系数，计算公式如式（2）所示。

式中：cmax为最大电压系数，取1.05；Un为系统标称电压；UrG为发电机额定电压；φrG为发电机额定功率因数角度；x''d为发电机的相对电抗，其计算公式为：

对称短路电流 初始值：

式中，若电阻Rk小于0.3Xk，可忽略。

2.2 厂用电系统短路电流

厂用电系统对保安母线短路故障贡献短路电流可根据《火力发电厂厂用电设计技术规程》（DL/T 5153—2014）中“附录N 380 V系统短路电流计算曲线”查表得出，具体如下。

Lc为动力中心至电动机控制中心供电的电缆长度，如电缆截面及导体材料与图表不同，则应按式（5）归算至同一截面的电缆长度，然后按此长度查取短路电流。

式中：Lc为归算至同一截面的铝芯电缆计算长度（m）；S1、ρ1表示所列电缆截面面积（m2）和电阻系数（（Ω·mm2）/m）；L2、S2、ρ2表示不同截面不同材料的电缆的长度（m）、截面面积（m2）、电阻系数（（Ω·mm2）/m）。

2.3 短路时电动机反馈电流

系统短路时，短路点处电压会瞬间变成零，但电动机转子电流不能突变，会存在磁链，且与电动机转子绕组合成磁链成正比，短路前后不能突变的次暂态电动势大约等于1，会造成电动机变成一个附加电源向短路点反馈短路电流。

保安MCC段异步电动机总功率暂按保安MCC段计算容量（kVA）的60%考虑。

式中：I''d表示电动机反馈电流周期分量的起始有效值（kA）；Ie表示配电段额定电流（A）。

3 工程应用实例

某项目选用1台STAMFORD PI734B柴油发电机作为电厂应急柴油发电机，保安电源接线图如图2所示。

图2 某项目保安电源接线图

发电机本体接线端至发电机出口开关柜间采用7根NA-YJV-0.6/1-3X185+1X95电缆，长度10 m，发电机出口开关柜至保安MCC1段采用6根NA-YJV-0.6/1-3X185+1X95电缆，长度20 m，工作PC1A段至保安MCC1段由6根NA-YJV-0.6/1-3X185+1X95电缆连接，长度35 m，单根电缆阻抗Zc=0.099 1+j0.078（Ω/km）；发电机额定电压Ud，功率因数cosφ=0.8，基准容量1 400 kVA，配电系统标称电压Un=400 V，定子电阻RG=0.001 6 Ω，超瞬态电抗相对值x''d=0.15；低压厂用变容量2 000 kVA，Ud=10%；保安MCC1段进线计算容量为689.34 kVA。

当厂用电失电后恢复供电，柴油机控制系统采用并联切换的方式恢复保安MCC1段工作电源供电，对于保安MCC1段，柴油发电机电源和工作电源会出现短时并列的情况，如果此时发生三相短路，则等值电路如图3所示。

图3 等值电路图

低压厂用变压器回路贡献的三相短路电流周期分量有效值为24.27 kA。由于本工程低压系统标称电压为400 V，故电压修正后的低压厂用变压器回路短路电流周期分量有效值为：I''B=25.48 kA。

（3）电动机反馈电流

保安MCC1段上电动机反馈电流：

则并联切换时保安MCC1发生短路，短路电流值为：

在上述算例中，柴油发电机贡献的短路电流占比高达31.82%，因此在低压开关设备选型时保安MCC的短路水平需单独考虑。对于本项目，保安MCC1段上开关的短路分断能力选择50 kA的产品即可满足要求。

4 结 论

由于保安MCC进线增加了应急柴油发电机电源进线，因此与火力发电厂一般电动机控制中心相比，短路电流会增加柴油发电机回路的贡献电流，比一般电动机控制中心短路电流更大。在配置相关低压配电装置时需对保安MCC段的短路水平单独验算，以防造成设备参数错误。