發(fā)電廠低壓柴油發(fā)電機配電系統(tǒng)短路電流計算

羅 楠，楊 冰，鄧 輝，陶佳燕

（1.中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071；2.國網(wǎng)武漢供電公司，湖北 武漢 430050）

0 引 言

發(fā)電廠是將其他形式的能量轉化為電能的場所，其中火力發(fā)電廠是目前我國發(fā)電廠中占比最大的一種形式?；痣姀S的能量轉化過程比較復雜，燃燒的化學能通過鍋爐吸熱轉化為蒸汽的熱能，蒸汽推動汽輪機做功，轉化為汽輪發(fā)電機轉子的機械能，發(fā)電機轉子切割磁感線轉化為電能。整個過程涉及的工藝系統(tǒng)也比較多，如輸煤、化水、汽機、鍋爐以及供水等?；鹆Πl(fā)電廠電氣專業(yè)除了將發(fā)電機發(fā)出的電能持續(xù)可靠地外送至電力系統(tǒng)外，還要為發(fā)電廠內所有工藝的專業(yè)設備提供安全穩(wěn)定的電源系統(tǒng)，以保障整個發(fā)電廠正常運行。

按照火力發(fā)電廠的廠用電負荷對人身安全和設備安全的重要性，可將其分為非0類負荷和0類負荷。

非0類負荷停電不會影響人身安全和設備安全，因此對于此類（I，II，III類）中75 kW以下的廠用電負荷，通常由1個雙電源供電的電動機控制中心（MCC）供電，對接有I類負荷的電動機控制中心雙電源應自動切換，僅接有II類負荷的電動機控制中心雙電源可手動切換。簡單來說，對于75 kW以下的非0類負荷，自動/手動切換的雙電源MCC即可滿足供電要求。

0類負荷停電將直接影響人身安全和設備安全，因此0類負荷供電可靠性要求更高。在機組停機或正常電源失電后，OI類負荷應由交流不間斷電源（UPS）連續(xù)供電，0II類負荷應由直流電源供電，0III類負荷應由交流保安電源系統(tǒng)（柴油發(fā)電機組）供電。

交流保安MCC較非0類負荷供電的MCC增加了一路低壓交流保安電源，即由雙電源切換的MCC變?yōu)榱巳娫辞袚Q的MCC，且其中一路電源由柴油發(fā)電機組供電。交流保安MCC短路水平是否會因為柴油發(fā)電機組電源的引入而提高，是本文要研究的問題。

1 柴油發(fā)電機配電系統(tǒng)切換邏輯

柴油發(fā)電機配電系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

1.1 保安電源切換邏輯

正常運行時保安母線段（保安MCC）應由本機組的低壓明或暗備用動力中心供電（互為備用的兩路工作電源），當確認本機組動力中心真正失電（兩路工作電源失電）后應能切換到交流保安電源（備用電源）供電。工作電源失電，啟動柴油發(fā)電機組，當達到額定轉速并建立電壓后，閉合發(fā)電機出口斷路器（CB1），當檢測到保安PC電壓正常后，跳開保安MCC工作電源斷路器（CB4/CB5），確認保安MCC工作電源斷路器分閘位置后，合閘保安PC饋線斷路器（CB2），最后合閘保安MCC備用電源斷路器（CB3）。

圖1 柴油發(fā)電機配電系統(tǒng)簡圖

1.2 工作電源恢復后切換邏輯

若一段時間后故障解除，本機組動力中心恢復供電，則柴油機控制系統(tǒng)將收到串聯(lián)切換或者并聯(lián)切換信號以及恢復廠用電命令，系統(tǒng)啟動逆向切換程序，將各保安MCC由備用電源切換至工作電源供電。

當收到串聯(lián)切換信號時，程序控制系統(tǒng)首先跳開保安MCC備用電源斷路器（CB3），當檢測到備用電源斷路器處于分位后，再閉合工作電源斷路器（CB4/CB5）。在此切換方式下，保安MCC從始至終只有一路進線電源，無兩路電源并列的情況。

當收到并聯(lián)切換信號時，程序控制系統(tǒng)采用同期合閘方式，先合該保安MCC段工作電源斷路器（CB4/CB5），再跳開備用電源斷路器（CB3）。并聯(lián)切換過程中，保安MCC存在工作電源和備用電源短時并列的情況，若此時保安MCC發(fā)生短路故障，則除了廠用電系統(tǒng)均會為保安MCC提供短路電流，保安MCC供電的電動機會出現(xiàn)較大的反饋電流以外，柴油發(fā)電機系統(tǒng)也會對保安MCC提供短路電流，這些短路電流將一起對系統(tǒng)的開關設備造成破壞。與火力發(fā)電廠其他動力中心短路相比，保安MCC短路增加了柴油發(fā)電機系統(tǒng)短路電流，在柴油發(fā)電機系統(tǒng)配電設備選型時，需要充分考慮此種極端情況下的短路沖擊。

本文介紹了用一個等效電壓源計算低壓柴油發(fā)電機配電系統(tǒng)短路電流的方法，并結合工程實例進行相關計算。

2 短路電流計算

短路電流計算需要以如下條件為基礎：短路類型不會隨短路的持續(xù)時間而變化；電網(wǎng)結構不隨短路持續(xù)時間變化；不計電弧的電阻；除零序系統(tǒng)外，忽略所有線路電容、并聯(lián)導納、非旋轉型負荷。雖然這些假設并不嚴格成立，但是可以給出準確度較高的結果。

2.1 柴油發(fā)電機組短路電流

發(fā)電機是電感性元件，當發(fā)電機發(fā)生短路時，電壓瞬間降低，但電感元件的電流是不能突變的，所以電感元件中的磁場將產(chǎn)生一個反電勢，來維持電流逐漸變小。對于遠端和近端短路，都可用一等效電壓源計算短路電流。短路點用等效電壓源代替，該電壓源為網(wǎng)絡的唯一電壓源，其他電源（如電動機和饋電網(wǎng)絡的電勢）都視為零，并以自身內阻抗代替。在低壓電網(wǎng)中，發(fā)電機不經(jīng)過變壓器直接接入電網(wǎng)，計算對稱短路電流初始值時，發(fā)電機正序阻抗為：

式（1）中：X''d為發(fā)電機直軸超瞬變電抗；KG為校正系數(shù)，計算公式如式（2）所示。

式中：cmax為最大電壓系數(shù)，取1.05；Un為系統(tǒng)標稱電壓；UrG為發(fā)電機額定電壓；φrG為發(fā)電機額定功率因數(shù)角度；x''d為發(fā)電機的相對電抗，其計算公式為：

對稱短路電流 初始值：

式中，若電阻Rk小于0.3Xk，可忽略。

2.2 廠用電系統(tǒng)短路電流

廠用電系統(tǒng)對保安母線短路故障貢獻短路電流可根據(jù)《火力發(fā)電廠廠用電設計技術規(guī)程》（DL/T 5153—2014）中“附錄N 380 V系統(tǒng)短路電流計算曲線”查表得出，具體如下。

Lc為動力中心至電動機控制中心供電的電纜長度，如電纜截面及導體材料與圖表不同，則應按式（5）歸算至同一截面的電纜長度，然后按此長度查取短路電流。

式中：Lc為歸算至同一截面的鋁芯電纜計算長度（m）；S1、ρ1表示所列電纜截面面積（m2）和電阻系數(shù)（（Ω·mm2）/m）；L2、S2、ρ2表示不同截面不同材料的電纜的長度（m）、截面面積（m2）、電阻系數(shù)（（Ω·mm2）/m）。

2.3 短路時電動機反饋電流

系統(tǒng)短路時，短路點處電壓會瞬間變成零，但電動機轉子電流不能突變，會存在磁鏈，且與電動機轉子繞組合成磁鏈成正比，短路前后不能突變的次暫態(tài)電動勢大約等于1，會造成電動機變成一個附加電源向短路點反饋短路電流。

保安MCC段異步電動機總功率暫按保安MCC段計算容量（kVA）的60%考慮。

式中：I''d表示電動機反饋電流周期分量的起始有效值（kA）；Ie表示配電段額定電流（A）。

3 工程應用實例

某項目選用1臺STAMFORD PI734B柴油發(fā)電機作為電廠應急柴油發(fā)電機，保安電源接線圖如圖2所示。

圖2 某項目保安電源接線圖

發(fā)電機本體接線端至發(fā)電機出口開關柜間采用7根NA-YJV-0.6/1-3X185+1X95電纜，長度10 m，發(fā)電機出口開關柜至保安MCC1段采用6根NA-YJV-0.6/1-3X185+1X95電纜，長度20 m，工作PC1A段至保安MCC1段由6根NA-YJV-0.6/1-3X185+1X95電纜連接，長度35 m，單根電纜阻抗Zc=0.099 1+j0.078（Ω/km）；發(fā)電機額定電壓Ud，功率因數(shù)cosφ=0.8，基準容量1 400 kVA，配電系統(tǒng)標稱電壓Un=400 V，定子電阻RG=0.001 6 Ω，超瞬態(tài)電抗相對值x''d=0.15；低壓廠用變容量2 000 kVA，Ud=10%；保安MCC1段進線計算容量為689.34 kVA。

當廠用電失電后恢復供電，柴油機控制系統(tǒng)采用并聯(lián)切換的方式恢復保安MCC1段工作電源供電，對于保安MCC1段，柴油發(fā)電機電源和工作電源會出現(xiàn)短時并列的情況，如果此時發(fā)生三相短路，則等值電路如圖3所示。

圖3 等值電路圖

低壓廠用變壓器回路貢獻的三相短路電流周期分量有效值為24.27 kA。由于本工程低壓系統(tǒng)標稱電壓為400 V，故電壓修正后的低壓廠用變壓器回路短路電流周期分量有效值為：I''B=25.48 kA。

（3）電動機反饋電流

保安MCC1段上電動機反饋電流：

則并聯(lián)切換時保安MCC1發(fā)生短路，短路電流值為：

在上述算例中，柴油發(fā)電機貢獻的短路電流占比高達31.82%，因此在低壓開關設備選型時保安MCC的短路水平需單獨考慮。對于本項目，保安MCC1段上開關的短路分斷能力選擇50 kA的產(chǎn)品即可滿足要求。

4 結 論

由于保安MCC進線增加了應急柴油發(fā)電機電源進線，因此與火力發(fā)電廠一般電動機控制中心相比，短路電流會增加柴油發(fā)電機回路的貢獻電流，比一般電動機控制中心短路電流更大。在配置相關低壓配電裝置時需對保安MCC段的短路水平單獨驗算，以防造成設備參數(shù)錯誤。