技术 | 水泥工厂多电源系统的短路电流限制方案分析

某公司总承包的印尼项目最初规划建设一条日产10000t熟料水泥生产线，供配电系统设计方案为由一路引自当地国家电网的高压线路提供电源和设立两台45MVA主变压器的单母线分段运行系统。在建设后期阶段受限于当地电网的不稳定性和容量不足，业主又投资建设一座配套60MW自备燃煤电厂，以保证水泥工厂正常投产，该电厂提供一路11kV出线给水泥厂提供电源，同时跨接在两段母线上，实际形成了单母线运行系统。

随着水泥市场的发展，投资方顺应形势，扩建一条日产10000t熟料生产线，同时配套建设2×15MW低温余热发电系统，这也是国外水泥厂发展的一个主要特征。通过对扩建后系统运行方式和电力平衡预测，二期不再新建总配电站，而是在一期基础上进行扩建或改造，形成多电源的单母线运行系统，其供配电系统如图1所示。该电力系统局域网中供电电源由四部分组成：外部国家电网(PLN)、自备燃煤电厂及两条低温余热发电系统。

图1 服务器印尼巴亚项目供配电系统等效模型

水泥工厂电力系统的实际运行中，主要以单相短路故障为主，其次是两相接地和两相短路故障；三相短路故障的几率较少，但其危害最为严重。因此，电力系统设计中常用三相短路来进行电力设备能力校验。本项目的三相短路电流分析是通过ETAP专业电力系统分析软件仿真计算，基于IEC标准算法。通过建模运算，印尼巴亚项目的三相短路电流分析结果如表1所示。计算结果表明，在未进行短路电流限制措施时，总降主母线的三相短路电流值达到52.854kA，远超过一期电气设备的短路耐受值40kA的能力。因此，短路电流限制措施分析是十分关键的。

表1 印尼巴亚项目三相短路电流分析(无限流措施)

结合工作实践，对于水泥工厂供配电系统的传统短路电流限制措施主要有以下几种：

(1)母线分列运行。通过单母线分段运行方式，让变压器分列运行，可以有效地增大系统阻抗，从而降低短路电流水平。

(2)提高配电电压等级。提高中压配电的电压等级能有效地降低短路电流水平。

(3)采用高阻抗设备。主要是通过增大系统阻抗来实现短路电流水平的降低，但会增加额外的无功损耗和电压降落，选择时需要综合考虑系统的短路电流、稳定和经济等多方面因素。

(4)串入普通限流电抗器。通常在线路接入处或母线联络处串入电抗器，运行方法简单便捷，但对于电力系统的潮流分布、稳定性存在一定影响，增加了系统的无功损耗。

(5)提高断路器的遮断能力。提高断路器等遮断能力以满足系统短路电流水平，但此种方法设备的投入成本高，对于具有老生产线的项目需要对其设备进行改造，总投资较大，工期也较长。

印尼巴亚项目二期建设过程中，一期水泥生产线正常生产运营，上述传统方案中的1、2、3、5条四种方案显然是不适用的，对于设备的改造成本较大，且会较长时间影响一期正常生产；第4条方案，串联限流电抗器，经过仿真计算分析，均不能找到合适电抗率的限流电抗器将短路电流水平降到40kA以下。由于现场条件的限制，不能直接采用传统短路电流限制措施已达到该项目的短路电流限制需求，必须寻找一种新型短路电流限制措施以满足系统运行要求。

对于额定频率50Hz和直流时间常数为45ms的电路来说，短路电流在短路电流发生后约10ms，即半个周期时，达到峰值。快速故障电流限流器(下文简称：快速限流器)作为一种新型短路电流限制产品，其基本功能是在短路电流上升的初始阶段(少于1ms)感知电流值并加以限制，将短路电流限制在第一个大半波上升的初期，确保系统运行安全。目前国内外均有成熟的快速限流器产品，且有应用业绩。

3.1 快速故障电流限流器的应用方式

(1)应用于系统互联，在母联位置安装，并与母联断路器串联，如图2所示。当短路故障发生在系统的馈线上时，通过母联位置快速限流器的开断，将系统成母线分列运行，达到限流目的。

图2 快速故障电流限流器应用于系统互联

(2)与限流电抗器并联。若短路故障发生在电抗器下侧，快速限流器开断将短路电流在上初始阶段转移至电抗器，然后由电抗器将电流限制在允许的水平。在正常运行条件下，快速限流器跨接至限流电抗器两端，如图3所示。

图3 快速故障电流限流器与限流电抗器并联

(3)应用于发电机馈线。当系统新增一台发电机(或其他电源系统)并入原有电网时，发电机反馈的额外短路电流将有可能导致系统网络允许通过的短路电流超过原设计额定允许值，可在馈线出串联快速限流器，如图4所示。

图4 快速故障电流限流器应用于发电机馈线

3.1 快速故障电流限流器在印尼项目中的应用

根据印尼项目多电源供配电系统特征，已经快速限流器的工作原理和动作特性，快速限流器在本项目应用时需要满足两个基本原则：①当系统出现短路故障，快速限流器开断后，剩余系统的短路电流值不超过设计能力；②当快速限流器开断后，剩余系统能继续维持运行，对生产过程产生的影响减小到最低或无影响。因此，印尼项目中，采用了上述应用方式3，即快速限流器应用于低温余热发电系统的馈线处，如图5所示。

图5 快速限流器(FCL)应用方案模型

当发生短路故障时，快速限流器感知电流变化而迅速开断，将两条余热发电系统从配电网络中断开，成功将短路电流限制在40kA以下，通过ETAP软件仿真计算，安装快速限流器后的系统短路电流最大值为38．716kA，满足设计要求。

快速限流器运用的短路限流措施，达到了设计理想效果。首先，满足两个基本设计原则，达到限流目的。当发生短路故障，迅速将余热发电系统切开，剩余的负荷系统通过自备燃煤电厂和外部国家电网继续供电，保证了生产线持续运行。其次，避免了对现有系统大规模的改造，如更换断路器、电缆等，缩短了现场施工周期，减少了项目建设的投资成本。

近年来，水泥企业的发展和扩建过程中，尤其是在电网欠发达的海外项目中，配套电厂和低温余热系统的应用，构成了多电源特征的水泥工厂供配电系统，导致了短路电流异常高或超过原有设备的允许值。快速限流器的应用，是因系统扩容导致的短路电流水平异常高、用户又无法大规模整改难题的最佳解决方案。快速限流器以其独特的优势在电力系统局域网短路电流限制措施工作发挥了重要的作用。

作者：孙强，吕满根，朱帅

来源：《中国中材国际工程股份有限公司(南京)》

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