商曉峰, 徐 淼, 劉雪偉

(中國電子系統(tǒng)工程第二建設(shè)有限公司, 江蘇 無錫 214028)

0 引 言

短路電流對于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著嚴(yán)重危害,為減少電氣設(shè)備的損壞,減輕短路危害和防止故障擴(kuò)大,在設(shè)計(jì)中進(jìn)行短路電流計(jì)算以正確選擇和檢驗(yàn)電氣設(shè)備,整定繼電保護(hù)裝置,保證系統(tǒng)短路時(shí),保護(hù)裝置能可靠動(dòng)作是非常有必要的。但就目前短路電流的兩種計(jì)算方法,即GB/T 15544(IEC法)和實(shí)用電流計(jì)算法來說,前者應(yīng)用廣泛但計(jì)算極其復(fù)雜,后者則根據(jù)同步發(fā)電機(jī)的參數(shù)和容量配置等特點(diǎn),用概率統(tǒng)計(jì)制定了短路電流周期分量運(yùn)算曲線,計(jì)算較為簡便,但對工程設(shè)計(jì)的指導(dǎo)適用性不強(qiáng)。

考慮到柴油發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)的短路電流情況較為復(fù)雜,且在需求激增的數(shù)據(jù)中心及先進(jìn)半導(dǎo)體項(xiàng)目中,柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的裝機(jī)數(shù)量多、單機(jī)容量高,因此采用IEC法對柴油發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)的短路電流水平進(jìn)行綜合分析,對于實(shí)際工程設(shè)計(jì)是具有較強(qiáng)指導(dǎo)意義的。

1 項(xiàng)目概況

以國內(nèi)某一大型先進(jìn)半導(dǎo)體廠房的柴油發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)作為案例進(jìn)行具體短路電流的分析討論。鑒于半導(dǎo)體廠房電氣系統(tǒng)的特殊性,其中一些重要負(fù)荷需采用應(yīng)急發(fā)電機(jī)并聯(lián)供電的方案。本文選擇的案例中重要負(fù)荷總?cè)萘拷?jīng)計(jì)算可達(dá)7 980 kW,配套柴油發(fā)電機(jī)總?cè)萘繛?0 000 kW。綜合考慮當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)公司及項(xiàng)目業(yè)主需求,其供電電壓要求為10 kV。供電系統(tǒng)簡圖如圖1所示。由市電引兩路獨(dú)立的110 kV供電電源降壓至10 kV出兩路電源至各建筑內(nèi)的變配電站。中壓10 kV采用單母線分段的設(shè)計(jì)原則,兩段母線分為一組,每組之間聯(lián)絡(luò)開關(guān)為自動(dòng)投切,任一路電源停電或檢修時(shí),母線聯(lián)絡(luò)斷路器投入運(yùn)行,另一路電源向此段母線供電。柴油發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)原則同市電,采用單母線分段設(shè)計(jì),發(fā)電機(jī)發(fā)出10 kV后并機(jī)向兩段應(yīng)急母線供電,兩段母線各出一回路至各中壓室再進(jìn)行互切后供電給各終端變電站內(nèi)應(yīng)急變壓器,對應(yīng)急負(fù)荷設(shè)備供電。

圖1 供電系統(tǒng)簡圖

系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)如表1所示,用于短路電流計(jì)算的主要設(shè)備有5臺并列運(yùn)行同時(shí)運(yùn)行的柴油發(fā)電機(jī)、2臺接入不同10 kV母線段的冷水機(jī)組、柴油發(fā)電機(jī)至并列點(diǎn)電纜和并列點(diǎn)至10 kV冷水機(jī)組電纜。

表1 系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)

2 短路電流的產(chǎn)生原因及危害

短路電流產(chǎn)生的原因有絕緣損壞、人為不安全操作、小動(dòng)物跨越導(dǎo)線、機(jī)械外力損害等。

短路發(fā)生時(shí)會導(dǎo)致系統(tǒng)阻抗驟減,流過短路點(diǎn)的電流迅速增加,短路電流可達(dá)幾倍到幾十倍,斷路器、電流互感器、母排等需要承受較大的短路電流沖擊。短路電流的沖擊會破壞電氣設(shè)備的動(dòng)、熱穩(wěn)定性。此外,短路電流增加造成設(shè)備溫度升高,接線端子過熱,加劇設(shè)備的絕緣老化,降低設(shè)備使用壽命。若短路電流過大超過斷路器的極限分?jǐn)嗄芰?導(dǎo)致斷路器不能有效切除故障,從而擴(kuò)大事故范圍。發(fā)生接地短路時(shí),短路點(diǎn)會產(chǎn)生較高的接觸電壓和跨步電壓,對人身及設(shè)備安全產(chǎn)生巨大威脅[1]。

3 短路電流計(jì)算

3.1 計(jì)算條件

本文短路電流計(jì)算均建立在以下3個(gè)基礎(chǔ)條件上:

(1) 柴油發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)的負(fù)載中往往含有中、高壓大容量電動(dòng)機(jī),其單臺容量大小可與發(fā)電機(jī)容量相比擬,故短路過程中不僅發(fā)電機(jī)作為短路電流供給源,運(yùn)行中的電動(dòng)機(jī)也應(yīng)視為短路電流供給源。

(2) 短路時(shí),其短路電流由系統(tǒng)中所有發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的特性及其饋電線的阻抗來決定。

(3) 發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式按他勵(lì)考慮。

計(jì)算過程中采用標(biāo)幺值時(shí),均以柴油發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)自身參數(shù)為基準(zhǔn)值進(jìn)行計(jì)算,電纜阻抗標(biāo)幺值則以柴油發(fā)電機(jī)自身參數(shù)為基準(zhǔn)值進(jìn)行計(jì)算[2]。

3.2 不同短路點(diǎn)短路電流計(jì)算

計(jì)算基礎(chǔ)參數(shù)條件見表1。綜合分析本工程實(shí)際情況,對中壓斷路器等電氣設(shè)備參數(shù)影響最大的短路計(jì)算點(diǎn)應(yīng)考慮為發(fā)電機(jī)出線的母線段及負(fù)載電動(dòng)機(jī)上端的饋線端。短路系統(tǒng)圖如圖2所示。因此選擇分析的短路點(diǎn)為圖2中的k1及k2點(diǎn)。

圖2 短路系統(tǒng)圖

3.2.1 并網(wǎng)母線處短路(k1點(diǎn))

首先進(jìn)行各項(xiàng)電氣參數(shù)的標(biāo)幺值換算,以柴油發(fā)電機(jī)自身參數(shù)為基準(zhǔn)的電抗值XBG=44.1 Ω;每回柴油發(fā)電機(jī)至并網(wǎng)點(diǎn)的電纜標(biāo)幺值Z*L1=j0.000 1+0.000 1。

確定基礎(chǔ)標(biāo)幺值后,依次進(jìn)行每臺柴油發(fā)電機(jī)至k1點(diǎn)的各項(xiàng)等效計(jì)算:等效超瞬態(tài)等效阻抗為Z*G1.k1(2～5)=j0.136 2+0.015 1,等效超瞬態(tài)時(shí)間常數(shù)為T*G1.k1(2～5)=0.019 s,等效瞬態(tài)阻抗為Z*G1.k1(2～5)=j0.252 1+0.015 1,等效瞬態(tài)時(shí)間常數(shù)為T′G1.k1(2～5)=0.311 s,等效電樞時(shí)間常數(shù)為TG1.k1(2～5)=0.034 s。

綜上所見,回路中的電纜阻抗相較于發(fā)電機(jī)自身阻抗,對等效阻抗的影響很小,因此在實(shí)際應(yīng)用中,回路電纜阻抗對于發(fā)電機(jī)等效計(jì)算可以忽略不計(jì)。

k1點(diǎn)短路電流周期分量值如表2所示;k1點(diǎn)短路電流直流分量值如表3所示。

表2 k1點(diǎn)短路電流周期分量值

表3 k1點(diǎn)短路電流直流分量值

綜上計(jì)算可知,當(dāng)t=0.01 s(T/2)時(shí),k1點(diǎn)短路電流水平:周期分量值Isk1為4 506 A,直流分量值Ifk1為5 307 A,沖擊電流值Ipk1為11 679 A。

將計(jì)算結(jié)果投入工程應(yīng)用,經(jīng)簡單計(jì)算可知系統(tǒng)中5臺柴油發(fā)電機(jī)的額定電流為688 A,則在k1點(diǎn)短路時(shí),最大沖擊電流可接近發(fā)電機(jī)額定電流的17倍。基于目前電氣裝備的水平條件,10 kV中壓斷路器的最小分?jǐn)嗄芰υ?5 kA,動(dòng)穩(wěn)定電流為63 kA。據(jù)此推算,一臺10 kV斷路器可承受30臺柴油發(fā)電機(jī)的短路水平。而根據(jù)經(jīng)驗(yàn),實(shí)際工程中一般每組發(fā)電機(jī)群不會超過10臺,因此柴油發(fā)電機(jī)并網(wǎng)斷路器無需提高分?jǐn)嗄芰Α?/p>

3.2.2 饋電線端短路(k2點(diǎn))

在進(jìn)行k2點(diǎn)的短路電流計(jì)算之前,首先需要確定所帶負(fù)載電動(dòng)機(jī)冷水機(jī)組的相關(guān)參數(shù),在實(shí)際工程應(yīng)用中,最為精確的計(jì)算方式是要求電機(jī)供應(yīng)商提供電機(jī)的詳細(xì)參數(shù)。為增強(qiáng)普適性,本次計(jì)算參考GB/T 21066—2007《船舶和移動(dòng)式及固定式近海設(shè)施的電氣裝置三相交流短路電流計(jì)算方法》,電動(dòng)機(jī)各項(xiàng)標(biāo)幺值參數(shù)取值[3]:Z*M為0.16,X*M為0.15,Rs為0.034,RR為0.021,rM為0.055,X*為0.156。

依據(jù)公式計(jì)算可得,案例中電動(dòng)機(jī)的周期分量衰減時(shí)間常數(shù)TZM為0.024 s,非周期衰減時(shí)間常數(shù)TfM為0.015 s。

3.3 柴油發(fā)電機(jī)組至k2點(diǎn)的等效計(jì)算

根據(jù)k1點(diǎn)短路計(jì)算過程及分析,可將k1點(diǎn)前5臺并網(wǎng)發(fā)電機(jī)等效為一臺發(fā)電機(jī)(簡稱Gk1),其參數(shù):In.Gk1為688 A,X*d.Gk1為13.6%,X′d.Gk1為25.2%,Xd.Gk1為271%,Ra.Gk1為1.5%,T*d.Gk1為0.019 s,T′d.Gk1為0.311 s,Td.Gk1為0.034 s。

以等效發(fā)電機(jī)Gk1的參數(shù)作為基準(zhǔn)值,從短路點(diǎn)k1點(diǎn)至k2點(diǎn)的回路電纜阻抗標(biāo)幺值Z*L2=j0.000 3+0.008 7。確定計(jì)算基礎(chǔ)值后,進(jìn)行詳細(xì)的短路電流計(jì)算:等效超瞬態(tài)等效阻抗Z″*Gk1=j0.136 3+0.023 7;等效超瞬態(tài)時(shí)間常數(shù)T″*Gk2=0.019 s;等效瞬態(tài)阻抗Z′*Gk1=j0.252 3+0.009;等效瞬態(tài)時(shí)間常數(shù)T′Gk2=0.311 s;等效電樞時(shí)間常數(shù)TG1.k2=0.022 s。

k2點(diǎn)短路電流周期分量值如表4所示;k2點(diǎn)短路電流直流分量值如表5所示。

表4 k2點(diǎn)短路電流周期分量值

表5 k2點(diǎn)短路電流直流分量值

當(dāng)t=0.01 s(T/2)時(shí),k2點(diǎn)短路電流水平:周期分量值Izk2為4 412 A,直流分量值Ifk2為5 515 A,沖擊電流值Ipk2為11 754 A。

根據(jù)計(jì)算,單臺電動(dòng)機(jī)對短路點(diǎn)電流的助增作用不甚明顯,而實(shí)際工程中,單段母線上一般不會接入數(shù)量超過3臺的大容量電動(dòng)機(jī),因此也無需刻意增大斷路器分?jǐn)嗄芰?。?dāng)需要考慮大功率電動(dòng)機(jī)的反饋影響時(shí),雖然短路點(diǎn)遠(yuǎn)離了柴油發(fā)電機(jī)并網(wǎng)點(diǎn),但是短路電流水平并未有明顯下降,甚至?xí)^并網(wǎng)點(diǎn)?？紤]到實(shí)際工程中,為節(jié)省造價(jià),此類大功率電動(dòng)機(jī)往往均離柴油發(fā)電機(jī)房及變電所較近,因此為保證繼電保護(hù)正確整定,不可隨意忽略電動(dòng)機(jī)對短路點(diǎn)電流水平的助增。實(shí)際設(shè)計(jì)中可考慮當(dāng)電動(dòng)機(jī)容量超過發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量的10%時(shí),應(yīng)計(jì)入電動(dòng)機(jī)對短路點(diǎn)的電流反饋助增。

4 計(jì)算結(jié)果應(yīng)用

計(jì)算最大短路電流的目的是為了確定電氣設(shè)備的容量及進(jìn)行動(dòng)、熱穩(wěn)定校驗(yàn)和各項(xiàng)分?jǐn)嗄芰Φ倪x擇。從整體計(jì)算結(jié)果分析,可得到如下5項(xiàng)推論投入實(shí)際工程應(yīng)用。

(1) 柴油發(fā)電機(jī)并網(wǎng)處可直接采用發(fā)電機(jī)本身參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,無需考慮并網(wǎng)電纜對計(jì)算結(jié)果的影響,其不僅可減少實(shí)際工程運(yùn)算中數(shù)據(jù)收集的參量,還可降低計(jì)算量,同時(shí)計(jì)算精確度可滿足工程設(shè)計(jì)需求。

(2) 柴油發(fā)電機(jī)并網(wǎng)處不可按照無限源方式進(jìn)行直接計(jì)算,否則誤差超過10%,這是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)超瞬態(tài)電抗和瞬態(tài)電抗遠(yuǎn)小于其穩(wěn)態(tài)電抗。

(3) 柴油發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的母線段的短路電流在經(jīng)過時(shí)間2T(0.04 s)后,周期分量趨于穩(wěn)定,直流分量基本衰減至可忽略。

(4) 以目前中壓斷路器的最小極限分段能力和動(dòng)穩(wěn)定參數(shù),每組發(fā)電機(jī)群在不超過30臺時(shí),不需要考慮斷路器提檔問題,已可完全滿足目前所有工程應(yīng)用情況。

(5) 當(dāng)電動(dòng)機(jī)容量超過發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量的10%時(shí),在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中應(yīng)計(jì)入電動(dòng)機(jī)對短路點(diǎn)電流反饋的助增影響。

5 結(jié) 語

本文采用IEC法對電氣設(shè)備選型最為敏感的2個(gè)短路點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算分析,并結(jié)合工程實(shí)際,得出了幾點(diǎn)可直接投入實(shí)際工程設(shè)計(jì)的推論,為同類電氣系統(tǒng)在設(shè)計(jì)選型時(shí)提供了簡便應(yīng)用的依據(jù)。