电解铝负荷提供短路电流分析研究

司大军

（云南电网有限责任公司电网规划研究中心，昆明 650011）

0 前言

云南省是电力资源大省，为了就地消纳富余水电，提高工业增加值，云南省积极推进“水电铝+精深加工”的集群化布局，在3至5年内形成5个左右水电铝加工一体化重点产业园区，形成600～800万吨水电铝规模，打造具有综合竞争力和世界影响力的千亿级水电铝一体化基地。水电铝单位能耗大，达到14000 kWh/吨[1]，单个电解铝负荷一般在数百～数千MW，因此现代电解铝企业一般以220 kV接入电网。

由于水电铝负荷较大，在其接入系统时往往需要对电网进行加强，加强电网后会造成短路电流的增加。在云南某地区向某水电铝供电后加强电网方案研究中，出现了短路电流（单相）接近断路器遮断容量的情况。限制短路电流的措施主要有：

1）调整运行方式，如断开电磁环网；

2）加装限流装置[2-3]。采用断开电磁环的运行方式会降低区域电网的供电能力，而加装限流装置往往受场地的限制，有一定的实施难度。

本文在分析短路电流来源时，发现了电解铝负荷向电网提供了较大的短路电流，造成了计算短路电流较大的问题，通过理论、仿真、录波数据等几个方面分析了电解铝负荷提供短路电流情况，表明在故障时，电解铝负荷不会向电网提供短路电流。

1 电解铝供电系统简介

电解铝整流系统主要包括二极管整流和晶闸管整流[4]，电解铝供电系统由高压电网提供的交流电经整流变压器降压，经饱和电抗器调节和二极管整流器整流，将交流电转换为用于电解生产的直流电，供电给电解铝生产系统。电解铝供电系统由整流机组、整流变压器、及整流机柜组成。整流机柜包括饱和电抗器、二极管等原件，将交流转换为直流。

图1 电解铝供电系统结构

2 区域电网简介

图2 云南某地区电网结构图

云南某地区电网结构如图2所示，其中TAN、HP、DL为500 kV变电站，LJ、YLT、JC、ERY、HD为220 kV变电站，其中JC汇集了较多的中小水电，水电铝Q1、水电铝Q2、水电铝Y分别以双回220 kV线路接入HP变电站。水电铝Q项目分两期建设，其中项目一期水电铝Q1最大负荷约73万千瓦，项目二期水电铝Q2最大负荷约77万千瓦。水电铝Y项目最大负荷680 MW。

HP变有2台750 MVA主变，由于大量水电铝负荷接入HP变，造成局部电网供电能力不足，经研究需要扩建HP变第3台主变（750 MVA）。

3 500 kV HP变短路电流分析

在HP变建成3台主变后，使用PSDBPA短路电流计算程序计算HP变220 kV母线单相短路电流为49.4 kA，三相短路电流为43.4 kA，接近断路器遮断容量50 kA，危及设备安全。需要采取措施限制短路电流，通过断开HP变-DL变或HP变-TAN变500/220 kV电磁环网降低短路电流，但断开电磁环网后局部电网供电能力降低也较多，不能满足负荷供电的需求；加装变压器中性点小电抗可有效减小单相短路电流，但会增加电网工程投资。

本文通过分析HP变220 kV母线单相短路电流分布情况，寻找短路电流达到断路器遮断容量的原因。表1为HP变220 kV母线单相短路电流分布表。

表1 HP变220 kV母线单相短路电流分布

从表1中可以看出，水电铝负荷提供了较大的短路电流，这是因为PSD-BA在计算短路电流时计及了负荷模型，电网中的负荷模型设置为50%电动机+50ZIP负荷模型，而电动机负荷会提供一定的短路电流。

由图1可知，电解铝供电系统将交流电通过整流（通常为二极管整流）变为直流电，理论上在故障情况下不会向故障点提供短路电流。当电网侧故障系统电压降低时，电解铝供电系统将通过控制保持直流电流的恒定，因直流电流与交流电流有较严格的对应关系，故交流电流在电解铝负荷运行时保持恒定。若电压降低较小，电解铝控制系统将可保持电流恒定，若电压降低较大，控制系统将无法保持电流恒定，但不会出现电解铝向电网倒送的情况。由以上分析可知，电解铝负荷只会从电网“吸收”电流，不会因电网故障向电网“输出”电流。

4 水电铝提供短路电流电磁暂态分析

图3 整流负荷仿真模型

图4 整流负荷投入前后短路电流（故障点）对比图

本文根据电解铝供电系统，建立了电解铝整流负荷的Matlab仿真模型，如图3所示。其中电解铝负荷为1000 MW。在图3中“Breaker 1”断开情况下（整流负荷不工作），经计算发生单相接地短路故障，短路点电流为9.37 kA（基波有效值），“Breaker 1”闭合情况下（整流负荷投入），经计算发生单相接地短路故障，短路点电流为9.35 kA（基波有效值），与整流负荷投入前相同。整流负荷投入前后故障点电流对比如图4所示。由此可见，整流负荷不提供短路电流。

5 基于录波电解铝提供短路电流分析

本文在理论、仿真两个分析电解铝对短路电流的影响的基础上，收集了实际电网故障录波数据，进一步通过录波数据分析电解铝负荷提供短路电流情况。

某铝业公司建成220 kV降压变一座，为两回线路供电，正常情况下采用一主一备供电方式，供电线路重合闸为退出状态。2018年12月14日，该铝业公司主供线路发生B相接地故障，母线电压与220 kV通润线电流如图5、图6所示。图5、图6中故障0.04秒故障发生，0.052秒后断路器断开（C相断路器于故障后0.044秒断开），故障清除。

图5 润鑫铝业母线电压波形图

从图6中可以看出故障前后三相电流无显著增大，经计算三相电流有效值（基波）如图7所示。由于C相断路器于故障后0.044秒断开，而采用傅立叶算法计算基波有效值需要0.020秒数据，因此故障后0.044-0.020=0.024秒内的有效值是可用的，可用有效值为图7中浅兰色框中数据。对比故障前、后的有效值，可以看出故障后（短时间内）三相电流无显著变化。因此，从故障录波来看电解铝负荷没有向电网提供短路电流。

图6 通润线电流波形图

图7 通润线电流有效值波形图

由以上分析来看，电解铝负荷不会向电网提供短路电流，在使用PSD-BPA计算短路电流时，默认会计及负荷提供的短路电流，可通过更改设置不考虑负荷的影响。当不考虑负荷后，HP变220 kV单相短路电流为45.3 kA，明显小于断路器遮断容量，无需要改变运行方式或加装变压器中性点小电抗。

6 结束语

本文从理论、电磁暂态仿真、实际故障录波等方面分析了电解铝负荷提供短路电流情况，结果表明，电解铝是整流型负荷，不会向电网提供短路电流。

使用PSD-BPA进行电解铝负荷周边电网短路时，可不考虑负荷提供短路电流。