孫 劍

(太原科技大學, 山西 太原 030024)

0 引 言

隨著電網(wǎng)建設(shè),電網(wǎng)容量不斷擴大,電力系統(tǒng)阻抗不斷減少,短路電流持續(xù)增大,出現(xiàn)了超過對煤礦井下隔爆設(shè)備分斷容量的情況。雖然現(xiàn)在井下隔爆設(shè)備不斷發(fā)展,研發(fā)出大短路電流開關(guān),但老舊礦井數(shù)量龐大,大面積更換設(shè)備難度很大,而且對于新建礦井也存在分斷容量大的開關(guān)造價過高等問題。

1 問題提出

電網(wǎng)短路電流是指在斷路器的出口處三相金屬性短路電流。斷路器在制造上要有電氣、機械強度和熄弧能力,用于分斷或接通負荷電路,還要有分斷最大三相短路電流的能力。如果電力網(wǎng)發(fā)生三相短路故障,短路電流大于斷路器的最大分斷電流,斷路器將不能分斷故障電流,將造成供電中斷或電力電纜和變壓器等電氣設(shè)備著火事故[1]。受技術(shù)水平限制和電網(wǎng)實際情況,我國多年來隔爆斷路器開斷能力限制在12.5 kA,近些年出現(xiàn)了16 kA、20 kA設(shè)備,但普及率比較低,因設(shè)備成本造價過高,因此安裝限流電抗器在變電站出口或者坑口具有較高應(yīng)用價值[2]。山西煤電集團某變電站項目中,由于是改造擴建煤礦,井下實際存在大量使用分斷能力12.5 kA設(shè)備,業(yè)主方要求繼續(xù)利用,故該項目有限制短路電流的實際需要。

煤礦隔爆設(shè)備分斷容量情況:根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第四百五十三條規(guī)定,井下電力網(wǎng)的短路電流不得超過其控制用的斷路器在井下使用的分斷能力,并應(yīng)校驗電纜的熱穩(wěn)定性[2]。

煤礦井濕度大,煤塵和CO2、NO、NO2、SO2等含量高,非煤礦用高壓斷路器在井下使用時,各種使用指標如機械強度、絕緣等級都有減弱。此時分斷電流等于或超過其額定值時會發(fā)生弧光放電,造成高壓斷路器事故,甚至造成煤礦爆炸事故,直接威脅礦井和井下作業(yè)人員安全[2]。

2 項目概況

山西煤電集團某變電站根據(jù)集團規(guī)劃,將現(xiàn)有礦擴建成為10.0 Mt/a左右的特大型現(xiàn)代化礦井。規(guī)劃的新開工(新建和改擴建)煤礦備選項目于2008年開工建設(shè),礦井生產(chǎn)能力5.0 Mt/a。礦井具備了擴建特大型礦井的條件。為了解決新增負荷的供電問題,改善網(wǎng)架結(jié)構(gòu),增加供電能力,提高供電可靠性,新建一座110 kV變電站。根據(jù)規(guī)劃最終建設(shè)規(guī)模:主變壓器為3×40 MVA有載調(diào)壓變壓器,電壓等級110/35/10.5 kV。

為了保證煤炭行業(yè)供電可靠性,采用雙電源供電設(shè)計,按照一級負荷的供電電源要求接入系統(tǒng)。第一電源(主供)由山西某220 kV變電站供電,第二電源由某110 kV變電站供電。

3 短路電流計算和主要設(shè)備選型

3.1 短路電流計算

按最終規(guī)模3×40 000 kVA計算,主供電源參照該220 kV變電站2015年110 kV母線短路電流計算結(jié)果,110 kV母線短路容量為763 MVA,短路電流為4.0 kA。該項目中短路電流計算根據(jù)基本假定條件[1]。

3.2 基準值計算

取基準容量Sj=1 000 MVA,采用標幺值計算,只計算各元件電抗,如發(fā)電機、變壓器、電抗器、線路等。

3.3 各元件參數(shù)標幺值計算

3.4 系統(tǒng)側(cè)阻抗計算

根據(jù)系統(tǒng)參數(shù),系統(tǒng)側(cè)阻抗值X*=(Sj/S″d)=1.31,其中S″d為短路容量。

3.5 線路阻抗計算

該項目主供電源系統(tǒng)阻抗較小的電源為某220 kV變電站電源,線路長度約30 km,采用LGJ-240/30導(dǎo)線,水平排列。線路標幺值X*L=XSj/U2j,有名值X=0.145lgD/(0.789r),其中r為導(dǎo)線半徑,D為導(dǎo)線幾何均距。簡化后經(jīng)驗值為X=0.4 Ω/km。根據(jù)該項目情況及簡化經(jīng)驗公式,得線路阻抗X*L=0.907。

3.6 變壓器及電抗器的標幺值計算

該項目選用三圈變壓器容量SN=40 MVA,YNyn0d11、Ud12%=10.5,Ud13%=18.0,Ud23%=6.5。變壓器標幺值X*d12=2.625,X*d23=4.5,X*d13=1.625;有名值Xd12=34.7 Ω,Xd23=5.51 Ω,Xd31=0.18 Ω。選用三圈變壓器進行網(wǎng)絡(luò)變換,對應(yīng)各側(cè)阻抗計算。

3.7 網(wǎng)絡(luò)變換

該電站3臺變壓器全部投入運行,該220 kV變電站110 kV母線供電系統(tǒng)為最大系統(tǒng)。變電站系統(tǒng)接線示意圖如圖1所示,等效阻抗變換圖如圖2所示。

圖1 變電站系統(tǒng)接線示意圖

圖2 等效阻抗變換圖

3.8 選擇電抗器

根據(jù)短路計算結(jié)果和本地用電設(shè)備實際情況,采用限流電抗器將短路電流限制在12.5 kA以內(nèi),相對于大面積更換井下隔爆設(shè)備更加經(jīng)濟合理和具有可操作性[3-6]。因此,對該變電站新建的設(shè)計中增加限流電抗器,使得井下現(xiàn)有設(shè)備滿足新供電系統(tǒng)要求,同時降低煤礦企業(yè)投資成本,更換或擴建新設(shè)備時仍然可采用分斷容量12.5 kA的產(chǎn)品。

該項目選用電抗器額定電壓10.5 kV,額定電流2 500 A,UK=8%,故電抗器標幺值X*k=1.76,有名值Xk=0.194。

3.9 軟件校驗

經(jīng)驗算加入電抗器后滿足該站10 kV出線直接下井對現(xiàn)有設(shè)備要求,使用軟件仿真校驗。瞬時功率數(shù)據(jù)如表1所示,預(yù)設(shè)短路電壓為100%母線電壓。

表1 瞬時功率數(shù)據(jù)

仿真運行結(jié)果表明,選擇電抗器能滿足設(shè)計要求。

仿真結(jié)果與計算差異原因分析:驗算軟件ETAP在選擇設(shè)備時,自動錄入了設(shè)備實際電阻、電抗等參數(shù);仿真采用實際設(shè)備參數(shù),含有設(shè)備電阻計算,而標幺值計算為純電抗計算,忽略電阻影響情況,故仿真數(shù)據(jù)略小于實際計算數(shù)據(jù),與實際系統(tǒng)運行情況更為接近。

3.10 設(shè)備選型

主變壓器選用SSZ10- 40000/110 型三繞組自冷式有載調(diào)壓變壓器,110±8×1.25%/38.5±2×2.5%/10.5,YNyn0d11,Uk12%=10.5,Uk13%=18.0,Uk23%=6.5,附零序電流互感器LRB-63,100～300/5A 5P20 20VA。

主變壓器中性點隔離開關(guān)型號為GW13-72.5,額定電流為630 A,熱穩(wěn)定電流為20 kA,配CJ2電動操作機構(gòu)。主變壓器中性點間隙互感器型號為LJW1-10W 150/5 5P20/5P20 20VA。

10 kV限流電抗器:為限制下井電源的短路電流,根據(jù)項目情況裝設(shè)9臺單相10 kV限流電抗器,分3組分別裝設(shè)在Ⅰ段、Ⅱ段和Ⅲ段10 kV戶外進線段,根據(jù)10 kV母線短路電流與下井電源要求控制短路電流(12.5 kA)。經(jīng)計算選擇在10 kV母線進線段裝設(shè)2 500 A電抗值8%,單相電能損耗約為14.22 kW。

4 結(jié) 語

采用變電站內(nèi)限流措施后,幾年來變電站運行平穩(wěn),因此認為采用限流電抗器方式限制短路電流是可行的。由于直接下井回路較多,設(shè)計安裝在變壓器出口處,下井電纜較少的變電站限制短路電流時也可設(shè)計安裝在下井坑口,減小限流電抗器容量要求。