复杂柴油发电机供电系统的短路电流分析

商晓峰, 徐 淼, 刘雪伟

(中国电子系统工程第二建设有限公司, 江苏 无锡 214028)

0 引 言

短路电流对于电力系统的安全稳定运行有着严重危害,为减少电气设备的损坏,减轻短路危害和防止故障扩大,在设计中进行短路电流计算以正确选择和检验电气设备,整定继电保护装置,保证系统短路时,保护装置能可靠动作是非常有必要的。但就目前短路电流的两种计算方法,即GB/T 15544(IEC法)和实用电流计算法来说,前者应用广泛但计算极其复杂,后者则根据同步发电机的参数和容量配置等特点,用概率统计制定了短路电流周期分量运算曲线,计算较为简便,但对工程设计的指导适用性不强。

考虑到柴油发电机供电系统的短路电流情况较为复杂,且在需求激增的数据中心及先进半导体项目中,柴油发电机系统的装机数量多、单机容量高,因此采用IEC法对柴油发电机供电系统的短路电流水平进行综合分析,对于实际工程设计是具有较强指导意义的。

1 项目概况

以国内某一大型先进半导体厂房的柴油发电机供电系统作为案例进行具体短路电流的分析讨论。鉴于半导体厂房电气系统的特殊性,其中一些重要负荷需采用应急发电机并联供电的方案。本文选择的案例中重要负荷总容量经计算可达7 980 kW,配套柴油发电机总容量为10 000 kW。综合考虑当地电网公司及项目业主需求,其供电电压要求为10 kV。供电系统简图如图1所示。由市电引两路独立的110 kV供电电源降压至10 kV出两路电源至各建筑内的变配电站。中压10 kV采用单母线分段的设计原则,两段母线分为一组,每组之间联络开关为自动投切,任一路电源停电或检修时,母线联络断路器投入运行,另一路电源向此段母线供电。柴油发电机的设计原则同市电,采用单母线分段设计,发电机发出10 kV后并机向两段应急母线供电,两段母线各出一回路至各中压室再进行互切后供电给各终端变电站内应急变压器,对应急负荷设备供电。

图1 供电系统简图

系统设备参数如表1所示,用于短路电流计算的主要设备有5台并列运行同时运行的柴油发电机、2台接入不同10 kV母线段的冷水机组、柴油发电机至并列点电缆和并列点至10 kV冷水机组电缆。

表1 系统设备参数

2 短路电流的产生原因及危害

短路电流产生的原因有绝缘损坏、人为不安全操作、小动物跨越导线、机械外力损害等。

短路发生时会导致系统阻抗骤减,流过短路点的电流迅速增加,短路电流可达几倍到几十倍,断路器、电流互感器、母排等需要承受较大的短路电流冲击。短路电流的冲击会破坏电气设备的动、热稳定性。此外,短路电流增加造成设备温度升高,接线端子过热,加剧设备的绝缘老化,降低设备使用寿命。若短路电流过大超过断路器的极限分断能力,导致断路器不能有效切除故障,从而扩大事故范围。发生接地短路时,短路点会产生较高的接触电压和跨步电压,对人身及设备安全产生巨大威胁[1]。

3 短路电流计算

3.1 计算条件

本文短路电流计算均建立在以下3个基础条件上:

(1) 柴油发电机供电系统的负载中往往含有中、高压大容量电动机,其单台容量大小可与发电机容量相比拟,故短路过程中不仅发电机作为短路电流供给源,运行中的电动机也应视为短路电流供给源。

(2) 短路时,其短路电流由系统中所有发电机和电动机的特性及其馈电线的阻抗来决定。

(3) 发电机的励磁方式按他励考虑。

计算过程中采用标幺值时,均以柴油发电机或电动机自身参数为基准值进行计算,电缆阻抗标幺值则以柴油发电机自身参数为基准值进行计算[2]。

3.2 不同短路点短路电流计算

计算基础参数条件见表1。综合分析本工程实际情况,对中压断路器等电气设备参数影响最大的短路计算点应考虑为发电机出线的母线段及负载电动机上端的馈线端。短路系统图如图2所示。因此选择分析的短路点为图2中的k1及k2点。

图2 短路系统图

3.2.1 并网母线处短路(k1点)

首先进行各项电气参数的标幺值换算,以柴油发电机自身参数为基准的电抗值XBG=44.1 Ω;每回柴油发电机至并网点的电缆标幺值Z*L1=j0.000 1+0.000 1。

确定基础标幺值后,依次进行每台柴油发电机至k1点的各项等效计算:等效超瞬态等效阻抗为Z*G1.k1(2～5)=j0.136 2+0.015 1,等效超瞬态时间常数为T*G1.k1(2～5)=0.019 s,等效瞬态阻抗为Z*G1.k1(2～5)=j0.252 1+0.015 1,等效瞬态时间常数为T′G1.k1(2～5)=0.311 s,等效电枢时间常数为TG1.k1(2～5)=0.034 s。

综上所见,回路中的电缆阻抗相较于发电机自身阻抗,对等效阻抗的影响很小,因此在实际应用中,回路电缆阻抗对于发电机等效计算可以忽略不计。

k1点短路电流周期分量值如表2所示;k1点短路电流直流分量值如表3所示。

表2 k1点短路电流周期分量值

表3 k1点短路电流直流分量值

综上计算可知,当t=0.01 s(T/2)时,k1点短路电流水平:周期分量值Isk1为4 506 A,直流分量值Ifk1为5 307 A,冲击电流值Ipk1为11 679 A。

将计算结果投入工程应用,经简单计算可知系统中5台柴油发电机的额定电流为688 A,则在k1点短路时,最大冲击电流可接近发电机额定电流的17倍。基于目前电气装备的水平条件,10 kV中压断路器的最小分断能力在25 kA,动稳定电流为63 kA。据此推算,一台10 kV断路器可承受30台柴油发电机的短路水平。而根据经验,实际工程中一般每组发电机群不会超过10台,因此柴油发电机并网断路器无需提高分断能力。

3.2.2 馈电线端短路(k2点)

在进行k2点的短路电流计算之前,首先需要确定所带负载电动机冷水机组的相关参数,在实际工程应用中,最为精确的计算方式是要求电机供应商提供电机的详细参数。为增强普适性,本次计算参考GB/T 21066—2007《船舶和移动式及固定式近海设施的电气装置三相交流短路电流计算方法》,电动机各项标幺值参数取值[3]:Z*M为0.16,X*M为0.15,Rs为0.034,RR为0.021,rM为0.055,X*为0.156。

依据公式计算可得,案例中电动机的周期分量衰减时间常数TZM为0.024 s,非周期衰减时间常数TfM为0.015 s。

3.3 柴油发电机组至k2点的等效计算

根据k1点短路计算过程及分析,可将k1点前5台并网发电机等效为一台发电机(简称Gk1),其参数:In.Gk1为688 A,X*d.Gk1为13.6%,X′d.Gk1为25.2%,Xd.Gk1为271%,Ra.Gk1为1.5%,T*d.Gk1为0.019 s,T′d.Gk1为0.311 s,Td.Gk1为0.034 s。

以等效发电机Gk1的参数作为基准值,从短路点k1点至k2点的回路电缆阻抗标幺值Z*L2=j0.000 3+0.008 7。确定计算基础值后,进行详细的短路电流计算:等效超瞬态等效阻抗Z″*Gk1=j0.136 3+0.023 7;等效超瞬态时间常数T″*Gk2=0.019 s;等效瞬态阻抗Z′*Gk1=j0.252 3+0.009;等效瞬态时间常数T′Gk2=0.311 s;等效电枢时间常数TG1.k2=0.022 s。

k2点短路电流周期分量值如表4所示;k2点短路电流直流分量值如表5所示。

表4 k2点短路电流周期分量值

表5 k2点短路电流直流分量值

当t=0.01 s(T/2)时,k2点短路电流水平:周期分量值Izk2为4 412 A,直流分量值Ifk2为5 515 A,冲击电流值Ipk2为11 754 A。

根据计算,单台电动机对短路点电流的助增作用不甚明显,而实际工程中,单段母线上一般不会接入数量超过3台的大容量电动机,因此也无需刻意增大断路器分断能力。当需要考虑大功率电动机的反馈影响时,虽然短路点远离了柴油发电机并网点,但是短路电流水平并未有明显下降,甚至会超过并网点。考虑到实际工程中,为节省造价,此类大功率电动机往往均离柴油发电机房及变电所较近,因此为保证继电保护正确整定,不可随意忽略电动机对短路点电流水平的助增。实际设计中可考虑当电动机容量超过发电机装机容量的10%时,应计入电动机对短路点的电流反馈助增。

4 计算结果应用

计算最大短路电流的目的是为了确定电气设备的容量及进行动、热稳定校验和各项分断能力的选择。从整体计算结果分析,可得到如下5项推论投入实际工程应用。

(1) 柴油发电机并网处可直接采用发电机本身参数进行计算,无需考虑并网电缆对计算结果的影响,其不仅可减少实际工程运算中数据收集的参量,还可降低计算量,同时计算精确度可满足工程设计需求。

(2) 柴油发电机并网处不可按照无限源方式进行直接计算,否则误差超过10%,这是因为发电机超瞬态电抗和瞬态电抗远小于其稳态电抗。

(3) 柴油发电机并网的母线段的短路电流在经过时间2T(0.04 s)后,周期分量趋于稳定,直流分量基本衰减至可忽略。

(4) 以目前中压断路器的最小极限分段能力和动稳定参数,每组发电机群在不超过30台时,不需要考虑断路器提档问题,已可完全满足目前所有工程应用情况。

(5) 当电动机容量超过发电机装机容量的10%时,在实际工程设计中应计入电动机对短路点电流反馈的助增影响。

5 结 语

本文采用IEC法对电气设备选型最为敏感的2个短路点进行了详细计算分析,并结合工程实际,得出了几点可直接投入实际工程设计的推论,为同类电气系统在设计选型时提供了简便应用的依据。