電解鋁負荷提供短路電流分析研究

司大軍

（云南電網有限責任公司電網規劃研究中心，昆明 650011）

0 前言

云南省是電力資源大省，為了就地消納富余水電，提高工業增加值，云南省積極推進“水電鋁+精深加工”的集群化布局，在3至5年內形成5個左右水電鋁加工一體化重點產業園區，形成600～800萬噸水電鋁規模，打造具有綜合競爭力和世界影響力的千億級水電鋁一體化基地。水電鋁單位能耗大，達到14000 kWh/噸[1]，單個電解鋁負荷一般在數百～數千MW，因此現代電解鋁企業一般以220 kV接入電網。

由于水電鋁負荷較大，在其接入系統時往往需要對電網進行加強，加強電網后會造成短路電流的增加。在云南某地區向某水電鋁供電后加強電網方案研究中，出現了短路電流（單相）接近斷路器遮斷容量的情況。限制短路電流的措施主要有：

1）調整運行方式，如斷開電磁環網；

2）加裝限流裝置[2-3]。采用斷開電磁環的運行方式會降低區域電網的供電能力，而加裝限流裝置往往受場地的限制，有一定的實施難度。

本文在分析短路電流來源時，發現了電解鋁負荷向電網提供了較大的短路電流，造成了計算短路電流較大的問題，通過理論、仿真、錄波數據等幾個方面分析了電解鋁負荷提供短路電流情況，表明在故障時，電解鋁負荷不會向電網提供短路電流。

1 電解鋁供電系統簡介

電解鋁整流系統主要包括二極管整流和晶閘管整流[4]，電解鋁供電系統由高壓電網提供的交流電經整流變壓器降壓，經飽和電抗器調節和二極管整流器整流，將交流電轉換為用于電解生產的直流電，供電給電解鋁生產系統。電解鋁供電系統由整流機組、整流變壓器、及整流機柜組成。整流機柜包括飽和電抗器、二極管等原件，將交流轉換為直流。

圖1 電解鋁供電系統結構

2 區域電網簡介

圖2 云南某地區電網結構圖

云南某地區電網結構如圖2所示，其中TAN、HP、DL為500 kV變電站，LJ、YLT、JC、ERY、HD為220 kV變電站，其中JC匯集了較多的中小水電，水電鋁Q1、水電鋁Q2、水電鋁Y分別以雙回220 kV線路接入HP變電站。水電鋁Q項目分兩期建設，其中項目一期水電鋁Q1最大負荷約73萬千瓦，項目二期水電鋁Q2最大負荷約77萬千瓦。水電鋁Y項目最大負荷680 MW。

HP變有2臺750 MVA主變，由于大量水電鋁負荷接入HP變，造成局部電網供電能力不足，經研究需要擴建HP變第3臺主變（750 MVA）。

3 500 kV HP變短路電流分析

在HP變建成3臺主變后，使用PSDBPA短路電流計算程序計算HP變220 kV母線單相短路電流為49.4 kA，三相短路電流為43.4 kA，接近斷路器遮斷容量50 kA，危及設備安全。需要采取措施限制短路電流，通過斷開HP變-DL變或HP變-TAN變500/220 kV電磁環網降低短路電流，但斷開電磁環網后局部電網供電能力降低也較多，不能滿足負荷供電的需求；加裝變壓器中性點小電抗可有效減小單相短路電流，但會增加電網工程投資。

本文通過分析HP變220 kV母線單相短路電流分布情況，尋找短路電流達到斷路器遮斷容量的原因。表1為HP變220 kV母線單相短路電流分布表。

表1 HP變220 kV母線單相短路電流分布

從表1中可以看出，水電鋁負荷提供了較大的短路電流，這是因為PSD-BA在計算短路電流時計及了負荷模型，電網中的負荷模型設置為50%電動機+50ZIP負荷模型，而電動機負荷會提供一定的短路電流。

由圖1可知，電解鋁供電系統將交流電通過整流（通常為二極管整流）變為直流電，理論上在故障情況下不會向故障點提供短路電流。當電網側故障系統電壓降低時，電解鋁供電系統將通過控制保持直流電流的恒定，因直流電流與交流電流有較嚴格的對應關系，故交流電流在電解鋁負荷運行時保持恒定。若電壓降低較小，電解鋁控制系統將可保持電流恒定，若電壓降低較大，控制系統將無法保持電流恒定，但不會出現電解鋁向電網倒送的情況。由以上分析可知，電解鋁負荷只會從電網“吸收”電流，不會因電網故障向電網“輸出”電流。

4 水電鋁提供短路電流電磁暫態分析

圖3 整流負荷仿真模型

圖4 整流負荷投入前后短路電流（故障點）對比圖

本文根據電解鋁供電系統，建立了電解鋁整流負荷的Matlab仿真模型，如圖3所示。其中電解鋁負荷為1000 MW。在圖3中“Breaker 1”斷開情況下（整流負荷不工作），經計算發生單相接地短路故障，短路點電流為9.37 kA（基波有效值），“Breaker 1”閉合情況下（整流負荷投入），經計算發生單相接地短路故障，短路點電流為9.35 kA（基波有效值），與整流負荷投入前相同。整流負荷投入前后故障點電流對比如圖4所示。由此可見，整流負荷不提供短路電流。

5 基于錄波電解鋁提供短路電流分析

本文在理論、仿真兩個分析電解鋁對短路電流的影響的基礎上，收集了實際電網故障錄波數據，進一步通過錄波數據分析電解鋁負荷提供短路電流情況。

某鋁業公司建成220 kV降壓變一座，為兩回線路供電，正常情況下采用一主一備供電方式，供電線路重合閘為退出狀態。2018年12月14日，該鋁業公司主供線路發生B相接地故障，母線電壓與220 kV通潤線電流如圖5、圖6所示。圖5、圖6中故障0.04秒故障發生，0.052秒后斷路器斷開（C相斷路器于故障后0.044秒斷開），故障清除。

圖5 潤鑫鋁業母線電壓波形圖

從圖6中可以看出故障前后三相電流無顯著增大，經計算三相電流有效值（基波）如圖7所示。由于C相斷路器于故障后0.044秒斷開，而采用傅立葉算法計算基波有效值需要0.020秒數據，因此故障后0.044-0.020=0.024秒內的有效值是可用的，可用有效值為圖7中淺蘭色框中數據。對比故障前、后的有效值，可以看出故障后（短時間內）三相電流無顯著變化。因此，從故障錄波來看電解鋁負荷沒有向電網提供短路電流。

圖6 通潤線電流波形圖

圖7 通潤線電流有效值波形圖

由以上分析來看，電解鋁負荷不會向電網提供短路電流，在使用PSD-BPA計算短路電流時，默認會計及負荷提供的短路電流，可通過更改設置不考慮負荷的影響。當不考慮負荷后，HP變220 kV單相短路電流為45.3 kA，明顯小于斷路器遮斷容量，無需要改變運行方式或加裝變壓器中性點小電抗。

6 結束語

本文從理論、電磁暫態仿真、實際故障錄波等方面分析了電解鋁負荷提供短路電流情況，結果表明，電解鋁是整流型負荷，不會向電網提供短路電流。

使用PSD-BPA進行電解鋁負荷周邊電網短路時，可不考慮負荷提供短路電流。