首鋼京唐二期多模式全連續鑄軋生產線供配電系統電網研究

呂冬梅，劉作坤，劉海云，潘彪，周軍，呂燕生

（1.北京首鋼國際工程技術有限公司，北京100043；2.北京市冶金三維仿真設計工程技術研究中心，北京100043；3.首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北 唐山063200）

1 引言

首鋼京唐鋼鐵廠二期工程，是在京津冀協同發展國家戰略的歷史背景下，作為率先落實京津冀協同發展戰略而實施的重大項目；是按照國家化解產能過剩矛盾和《河北省鋼鐵產業結構調整方案》的要求，踐行“創新、協調、綠色、開放、共享”五大發展理念，促進我國鋼鐵工業供給側結構性改革的重大舉措。其中多模式全連續鑄軋生產線，簡稱MCCR生產線（The Multi-mode Continuous Casting&Rolling plant），年產帶卷2.10×106t，主要工藝設備和自動化控制從意大利Daniel公司和日本TMEIC公司引進，部分設備國內分交、Daniel公司技術總負責；供配電系統、介質系統、鋼卷后部運輸系統由北京首鋼國際工程技術有限公司技術總負責，該工程建設工期為35個月，2019年4月建成投產。

MCCR生產線采用了連鑄+隧道式加熱爐+粗軋機+感應式加熱爐+精軋機+層流冷卻+飛剪+卷取機的緊湊式配置形式，也是世界首次采用的無頭軋制的配置形式。

MCCR生產線主傳動設備有3架粗軋機組（H0、H1、H2）、5架精軋機組（F1~F5）；大電機設備有連鑄機擺剪、2臺地下液壓卷取機，此外還有9臺感應加熱器。

MCCR生產線總裝機容量為193MW，其中精軋機電機容量10MW為最大容量電機。粗軋機組、精軋機組傳動設備、大電機傳動設備、全部采用AFE結構（有源前端）的交直交變頻調速裝置，其余大電機、輔傳動設備、輥道電機采用可控硅整流帶回饋制動的公共直流母線方式1∶N的變頻調速裝置，少數傳動設備采用1∶1交直交變頻調速裝置。由于MCCR生產線用電容量大、負荷較為復雜，對整個生產線的供電系統的供電質量、供電可靠性、供電能力提出了苛刻的要求，本文將從負荷計算、短路電流計算、諧波電流計算、沖擊負荷計算、電壓波動5個方面對MCCR生產線的供電系統進行分析研究。

2 負荷計算

MCCR生產線是在采用了ESP、CSP、常規軋制等多項新技術、新設備的基礎上開發的新模式熱軋帶鋼生產線。生產線有3種生產模式：無頭軋制模式、倍尺軋制模式、單坯軋制模式。

根據MCCR生產線軋制負荷的不同，在與Daniel公司及軋鋼工藝提供的數十個軋制表中選定幾個具有典型用電負荷特點、且具有較大軋制功率的軋制表進行電氣負荷計算，計算結果詳見表1。

表1 典型軋制表電氣負荷計算

其中綜合考慮平均計算負荷和功率因數，取最大軋制平均負荷計算視在功率Sjs為：

選3臺110 kV額定容量、Se=100 MV·A的車間變壓器，按兩用一備運行方式考慮，計算最大平均軋制負荷情況下變壓器的負荷率：

選3臺100 MV·A變壓器完全滿足在各種工況、各種運行方式下的安全供電要求，同時可滿足二期工序增加負荷的需求。

3 短路電流計算

為滿足設備選型和繼電保護的整定需求，分別對MCCR生產線110 kV總降35 kV母線、軋機區10 kV配電室10 kV母線、軋機區低壓配電室380 V母線3處的短路電流值進行了計算。

3.1 35kV母線短路電流的計算

簡化的35 kV供電系統，如圖1所示。

圖1 簡化的35 kV供電系統圖

3.1.1計算的前提條件

根據供電部門提供110 kV側短路容量：

最大運行方式：S″dmax=7 270 MV·A

最小運行方式：S″dmin=1 152 MV·A

根據全廠供電系統圖35 kV一段母線所帶的負荷主要是H0、H1、H2（粗軋機組)、F1（精軋機組），因為它們采用交直交AFE結構的TMdrive-P70e2變頻器供電，將向短路點釋放短路電流，其值計算如下（以下計算為考慮電纜的阻抗）：

式中，IH0、IH1、IH2、IF1分別為H0、H1、H2（粗軋機組)、F1（精軋機組）傳動裝置電流。

同樣，二段母線所帶的主要負荷主要是F2~F5（精軋機組），向短路點釋放短路電流計算如下：

式中，IF2、IF3、IF4、IF5分別為F2~F5（精軋機組）傳動裝置電流，根據Tmeic公司TMdrive-P70e2產品樣本，取2 860 kA。

3.1.2 短路阻抗的計算

以10 MV·A為基準值計算短路阻抗IZ結果及阻抗等值電路圖（見圖2）如下：

圖2 阻抗等值電路圖

110 kV電源側：10/7 270=0.001 38=0.138%；

80 MV·A變壓器：（10/80）×8.6%=1.075%；

A點的短路阻抗合計：0.138%+1.075%=1.213%；

3.1.3 35 kV I段、II段母線短路電流計算

1）35 kV I段母線A點短路電流

考慮I段母線上電機的反饋電流，A點的短路電流的最終計算結果：

2）35 kV II段母線B點短路電流

由110 kV供電電源系統提供的短路電流值與I段母線A點相同，即13.6 kA，考慮II段母線上電機的反饋電流，B點的短路電流的最終計算結果：

3.2 10 kV側短路電流的計算

簡化的供電系統圖及阻抗等值電路圖，見圖3。

圖3 簡化的10 kV供電系統圖及阻抗等值電路圖短路阻抗的計算：

以10 MV·A為基準容量進行短路阻抗的計算。

1）電源側：

2）電纜線路：

X3=0.054%

3）電機反饋：

4）C點短路阻抗Xc：

5）C點短路電流的計算：

3.3 低壓側（400 V）短路電流的計算

以10 MV·A為基準容量進行短路阻抗的計算。

1）電源側：

2）電纜線路1：X3=0.054%

3）電纜線路2：X4=0.044%

4）變壓器：X5=10/1.6×4.5%=28.125%

5）電機反饋：X6=[10/(1/0.9/0.85)]×25%=191.3%

6）D點短路阻抗Xd：

Xd=1/[1/(X1+X2+X3+X4+X5)+1/X6]=26.102%

即D點短路阻抗總值Xd為26.102%。

7）D點短路電流的計算：

結論：短路電流計算按系統最大短路容量（3 970 MV·A）考慮，見表2。

表2 計算參數表

4 諧波計算

MCCR生產線主傳動、輔傳動采用交直交變頻調速會產生諧波。高次諧波引起的電壓波形畸變率及注入系統的諧波電流若超過國標限值，對電網產生污染，就必須治理。本工程為了降低高次諧波的發生量采取了下列措施：

1）調整了主變壓器的繞組阻抗，將10 kV對35 kV和110 kV繞組阻抗加大。因為接在10 kV母線上的部分輔傳動變頻裝置的整流單元采用的可控硅整流，軋鋼時控制角不斷變化，相對產生的諧波量最大。阻抗加大之后，一方面可以降低注入電力系統諧波電流的幅值，另一方面減少了對35 kV側主傳動系統的干擾。

2）將TMdrive-P70e2共8套變頻器，計7臺整流變壓器的短路阻抗由15%改為18%。

3）所有接在35 kV和10 kV母線上的變壓器其接線組別相互錯開30°電氣角，從電源側方向看為等效十二相，接在10 kV母線上的。

4）感應加熱器電氣傳動設施自帶功率補償裝置，功率因數達到0.95。

采取上述措施后，在無頭軋制模式下電壓總諧波畸變率（THDu）和注入系統的諧波電流IH計算結果如表3和表4。

表3 電壓總諧波畸變率（THDu）的計算數據

表4 注入系統的諧波電流I H的計算數據A

采取上述措施后，在單坯軋制模式下電壓總諧波畸變率（THDu）和注入系統的諧波電流IH計算結果如表5和表6。

表5 電壓總諧波畸變率（THDu）的計算數據

表6 注入系統的諧波電流I H的計算數據A

5 沖擊負荷的計算

沖擊負荷計算主要包括2部分：有功沖擊負荷及無功沖擊負荷的計算。有功沖擊負荷視系統容量的大小，主要會引起電網頻率的變化，電力用戶無補償方案，只能是由供電網側解決。無功沖擊會引起系統供電母線上電壓波動和電壓閃變，如果超過國家電網允許限值，用戶必須采取補償措施，供電母線上電壓波動值和電壓閃變值不能超過國家標準限定值。

5.1 軋制表

從Daniel給出的若干個軋制表中選擇出軋制負荷較大的幾個典型的有代表性的軋制表進行計算。在與Tmeic公司的設計聯絡會上，由Daniel與京唐公司共同選擇7個軋制表進行計算，其中單坯軋制4個，無頭軋制3個，本文以無頭軋制典型負荷DD11為例。

5.2 沖擊負荷時序圖

110 kV I段母線負荷時序圖詳見圖4，110 kV I段母線負荷時序圖詳見圖5，110 kV母線總負荷時序圖詳見圖6。

圖4 簡化的400 V供電系統圖及阻抗等值電路圖

圖4 110kVⅠ段母線負荷時序圖

圖5 110kVⅡ段母線負荷時序圖

圖6 110kV母線總負荷時序圖

5.3 計算結果

下面是對10 kV側、35 kV側、110 kV側有功沖擊負荷和無功沖擊負荷進行計算的結果：

5.3.1 10 kV

1）I段母線

有功負荷P=35.6 MW；無功負荷Q=16.0 Mvar；功率因數cosφ=0.912。

2）II段母線

有功負荷P=28.2 MW；無功負荷Q=13.9 Mvar；功率因數cosφ=0.897。

5.3.2 35kV：

1）I段母線

有功沖擊負荷Ppeak=35.3 MW；無功沖擊負荷Qpeak=7.1 Mvar；功率因數cosφ=0.981。

2）II段母線

有功沖擊負荷Ppeak=41.6 MW；無功沖擊負荷Qpeak=9.2 Mvar；功率因數cosφ=0.976。

5.3.3 110 kV

1）I段母線

有功沖擊負荷Ppeak=71.0 MW；無功沖擊負荷Qpeak=23.0 Mvar；功率因數cosφ=0.951。

2）II段母線

有功沖擊負荷Ppeak=69.8MW；無功沖擊負荷Qpeak=23.0Mvar；功率因數cosφ=0.949。

從計算結果可以看出，10 kV各項負荷運行比較平穩，主要負荷是連鑄機、隧道爐、軋線介質系統、托盤運輸線輸送輥道電機，因為沒有沖擊負荷，所以也就不存在電壓波動和電壓閃變的問題，不需采取任何補償措施。

35 kV側的主要負荷是粗軋機組和精軋機組主傳動電機，其變頻調速裝置由于采用AFE結構（有源前端），電網側功率因數接近于1，所以也不存在無功沖擊引起的電壓波動，即便是接在35 kV母線上有少量的可控硅整流的輔傳動裝置，產生少量的無功負荷，其對供電系統的影響也是微乎其微，整體電壓波動很小。

6 電壓波動計算

從“沖擊負荷計算”結果得知，35 kV的負荷（以DD11軋制表為例）有功負荷沖擊和無功負荷沖擊對電網影響微乎其微，計算如下。

6.1 35 kV母線

6.2 110 kV母線

式中，Ppeak有功沖擊負荷，IR系統短路電阻，Qpeak無功沖擊負荷，系統短路電抗。

公式中的IX按IR的20%考慮，IR同IZ的計算值，見“短路電流計算”。

結論：35 kV側I段母線電壓波動值為1.075%，II段母線為1.147%，110 kV側I段母線電壓波動值為1.167%，II段母線為1.165%，遠低于國標GB/T 12326—2008《電能質量 電壓波動和閃變》[2]的限值。

7 結語

MCCR生產線在供配電設計中，在首鋼京唐2 250 mm、1 580 mm等熱軋工程的設計經驗基礎上對設計方案做了進一步優化。在對全廠用電負荷、短路電流、沖擊負荷、諧波電流以及電壓波動值等電能質量相關技術的研究中，秉承技術先進、可靠、節能的指導思想，通過新技術的應用和設計方案的不斷完善，在沒有設置無功補償和諧波吸收裝置的情況下，該供配電系統各項技術指標滿足國家標準，經過近兩年的生產運行檢驗，供配電系統整體運行安全可靠。期望通過本文內容與大家交流，在電氣工程供配電系統設計中為實現技術創新不斷努力，力爭新的突破。