水泥工廠多電源系統的短路電流限制方案分析

孫 強，呂滿根，朱 帥（中國中材國際工程股份有限公司（南京），江蘇 南京 211100）

1 印尼項目的供配電系統分析

我公司總承包的印尼項目最初規劃建設一條日產10000t熟料水泥生產線，供配電系統設計方案為由一路引自當地國家電網的高壓線路提供電源和設立兩臺45 MVA主變壓器的單母線分段運行系統。在建設后期階段受限于當地電網的不穩定性和容量不足，業主又投資建設一座配套60 MW自備燃煤電廠，以保證水泥工廠正常投產，該電廠提供一路11 kV出線給水泥廠提供電源，同時跨接在兩段母線上，實際形成了單母線運行系統。

隨著水泥市場的發展，投資方順應形勢，擴建一條日產10 000 t熟料生產線，同時配套建設2×150MW低溫余熱發電系統，這也是國外水泥廠發展的一個主要特征。通過對擴建后系統運行方式和電力平衡預測，二期不再新建總配電站，而是在一期基礎上進行擴建或改造，形成多電源的單母線運行系統，其供配電系統如圖1所示。該電力系統局域網中供電電源由四部分組成：外部國家電網（PLN）、自備燃煤電廠及兩條低溫余熱發電系統。

水泥工廠電力系統的實際運行中，主要以單相短路故障為主，其次是兩相接地和兩相短路故障；三相短路故障的幾率較少，但其危害最為嚴重。因此，電力系統設計中常用三相短路來進行電力設備能力校驗。本項目的三相短路電流分析是通過ETAP專業電力系統分析軟件仿真計算，基于IEC標準算法。通過建模運算，印尼巴亞項目的三相短路電流分析結果如表1所示。計算結果表明，在未進行短路電流限制措施時，總降主母線的三相短路電流值達到52.854 kA，遠超過一期電氣設備的短路耐受值40 kA的能力。因此，短路電流限制措施分析是十分關鍵的。

圖1 印尼巴亞項目供配電系統等效模型

表1 印尼巴亞項目三相短路電流分析（無限流措施）

2 傳統短路電流限制方案分析

結合工作實踐，對于水泥工廠供配電系統的傳統短路電流限制措施主要有以下幾種：

（1）母線分列運行。通過單母線分段運行方式，讓變壓器分列運行，可以有效地增大系統阻抗，從而降低短路電流水平。

（2）提高配電電壓等級。提高中壓配電的電壓等級能有效地降低短路電流水平。

（3）采用高阻抗設備。主要是通過增大系統阻抗來實現短路電流水平的降低，但會增加額外的無功損耗和電壓降落，選擇時需要綜合考慮系統的短路電流、穩定和經濟等多方面因素。

（4）串入普通限流電抗器。通常在線路接入處或母線聯絡處串入電抗器，運行方法簡單便捷，但對于電力系統的潮流分布、穩定性存在一定影響，增加了系統的無功損耗。

（5）提高斷路器的遮斷能力。提高斷路器等遮斷能力以滿足系統短路電流水平，但此種方法設備的投入成本高，對于具有老生產線的項目需要對其設備進行改造，總投資較大，工期也較長。

印尼巴亞項目二期建設過程中，一期水泥生產線正常生產運營，上述傳統方案中的1、2、3、5條四種方案顯然是不適用的，對于設備的改造成本較大，且會較長時間影響一期正常生產；第4條方案，串聯限流電抗器，經過仿真計算分析，均不能找到合適電抗率的限流電抗器將短路電流水平降到400kA以下。由于現場條件的限制，不能直接采用傳統短路電流限制措施已達到該項目的短路電流限制需求，必須尋找一種新型短路電流限制措施以滿足系統運行要求。

3 快速故障電流限流器應用分析

對于額定頻率50 Hz和直流時間常數為45 ms的電路來說，短路電流在短路電流發生后約10ms，即半個周期時，達到峰值?？焖俟收想娏飨蘖髌鳎ㄏ挛暮喎Q：快速限流器）作為一種新型短路電流限制產品，其基本功能是在短路電流上升的初始階段（少于1ms）感知電流值并加以限制，將短路電流限制在第一個大半波上升的初期，確保系統運行安全。目前國內外均有成熟的快速限流器產品，且有應用業績。

3.1 快速故障電流限流器的應用方式

（1）應用于系統互聯，在母聯位置安裝，并與母聯斷路器串聯，如圖2所示。當短路故障發生在系統的饋線上時，通過母聯位置快速限流器的開斷，將系統成母線分列運行，達到限流目的。

圖2 快速故障電流限流器應用于系統互聯

（2）與限流電抗器并聯。若短路故障發生在電抗器下側，快速限流器開斷將短路電流在上初始階段轉移至電抗器，然后由電抗器將電流限制在允許的水平。在正常運行條件下，快速限流器跨接至限流電抗器兩端，如圖3所示。

圖3 快速故障電流限流器與限流電抗器并聯

（3）應用于發電機饋線。當系統新增一臺發電機（或其他電源系統）并入原有電網時，發電機反饋的額外短路電流將有可能導致系統網絡允許通過的短路電流超過原設計額定允許值，可在饋線出串聯快速限流器，如圖4所示。

圖4 快速故障電流限流器應用于發電機饋線

3.2 快速故障限流器在印尼項目中的應用

根據印尼項目多電源供配電系統特征，以及快速限流器的工作原理和動作特性，快速限流器在本項目應用時需要滿足兩個基本原則：①當系統出現短路故障，快速限流器開斷后，剩余系統的短路電流值不超過設計能力；②當快速限流器開斷后，剩余系統能繼續維持運行，對生產過程產生的影響減小到最低或無影響。因此，印尼項目中，采用了上述應用方式3，即快速限流器應用于低溫余熱發電系統的饋線處，如圖5所示。

當發生短路故障時，快速限流器感知電流變化而迅速開斷，將兩條余熱發電系統從配電網絡中斷開，成功將短路電流限制在40 kA以下，通過ETAP軟件仿真計算，安裝快速限流器后的系統短路電流最大值為38.716 kA,滿足設計要求。

圖5 快速限流器（FCL）應用方案模型

快速限流器運用的短路限流措施，達到了設計理想效果。首先，滿足兩個基本設計原則，達到限流目的。當發生短路故障，迅速將余熱發電系統切開，剩余的負荷系統通過自備燃煤電廠和外部國家電網繼續供電，保證了生產線持續運行。其次，避免了對現有系統大規模的改造，如更換斷路器、電纜等，縮短了現場施工周期，減少了項目建設的投資成本。

4 結語

近年來，水泥企業的發展和擴建過程中，尤其是在電網欠發達的海外項目中，配套電廠和低溫余熱系統的應用，構成了多電源特征的水泥工廠供配電系統，導致了短路電流異常高或超過原有設備的允許值?？焖傧蘖髌鞯膽茫且蛳到y擴容導致的短路電流水平異常高、用戶又無法大規模整改難題的最佳解決方案。快速限流器以其獨特的優勢在電力系統局域網短路電流限制措施工作發揮了重要的作用。