10kV系统短路电流超标优化与应用

10kV系统短路电流超标优化与应用

金绍祥

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摘　要：企业主变扩容后，供电系统存在短路电流严重超标的问题，通过计算短路电流，采用常规的串联限流电抗器、更换开关柜等解决方案都不适用。基于快速开关的无损耗深度限流装置治理方案，并经实际运行表明，解决了系统短路电流严重超标的问题，保证了系统中开关的安全可靠运行，具有很高的投资回报率。

关键词：短路电流、无损耗深度限流、治理方案

一、引言

作为连续生产运行的有色冶炼企业，对供电可靠性及安全运行要求较高。某企业现运行220kV变电站有2台容量为31500kVA、额定电压为220kV/10kV的主变压器，经220kV架空输电线路供电，运行方式为双母线分段运行，10kV系统采用单母线双分段接线方式，正常两段10kV母线不并列运行。10kV所带的负载大部分为电机、变压器。

随着企业生产需要及发展，生产规模不断扩充调整，原有220kV变电站的主变压器容量不能满足生产扩充后系统负荷的运行需求，需要将将现有的2台31500kVA的主变扩容至50000kVA，来满足生产使用。随之带来的系统短路电流的增大，远远超过现有10kV开关柜的开断能力，给企业电力系统的安全运行带来了巨大隐患，必须采取有效措施，将10kV系统短路电流限制到25kA以下，以确保整个供电系统的安全可靠运行。

二、短路电流的计算

2.1. 系统及其参数

2.1.1  原主变压器的参数  

主接线图如图一

额定容量：31.5MVA

额定电压：220kV/10.5kV

阻抗电压：Uk=12.6%

10kV系统中断路器的最小的额定开断电流为25kA

 图1原电气主接线示意图

2.1.2新主变压器的参数：                            

额定容量：50MVA

额定电压：220kV/10.5kV                             

阻抗电压：Uk=12.6%                                

10kV系统中断路器的最小的额定开断电流为25kA

2.2、系统短路电流计算

2.2.1原变压器的短路电流计算：

  基准容量Sj=100MAV；基准电压Uj=10.5kV         

基准电流Ij===5.49kA 

标准值

图2 原阻抗计算图

变压器的电阻标幺值：Xt===0.4               

 根据阻抗计算图2中各点的短路电流所示：

  注：短路电流计算原则：

  1）、220kV的短路阻抗按照无穷大考虑；

  2）、考虑到主变压器检修或故障时系统会存在10kV并列运行，因此短路电流计算按照两台主变在10kV侧存在的并列情况考虑。

短路断流Id1=Id2===27.45kA

2.2.2  新变压器的短路电流计算：

 基准容量Sj=100MAV；基准电压Uj=10.5kV         

基准电流Ij===5.49kA     

标准值

变压器的电阻标幺值：Xt===0.252               

  根据阻抗计算图2中各点的短路电流所示：

  注：短路电流计算原则：

  1）、220kV的短路阻抗按照无穷大考虑；

  2）、考虑到主变压器检修或故障时系统会存在10kV并列运行，因此短路电流计算按照两台主变在10kV侧存在的并列情况考虑。

短路断流Id1=Id2===43.57kA

根据主变容量变化后系统的短路电流计算可以看出：主变低压侧及10kV系统母线或馈线发生三相短路时，短路电流由27.45kA增加到43.57kA。

三、 系统存在的问题分析

3.1 主变容量增大后导致短路电流增大

根据主变容量变化后系统的短路电流增加到43.57kA，如果不采取限流措施，则10kV系统侧的开关柜中开关的额定开断电流至少选50kA，加之考虑到开关的开断裕度则需63kA的额定开断电的开关满足要求。由于开关的额定开断电流增大，与系统中最小的额定开断电流25kA的断路器相比，进线开关的额定电流也增大了1.59倍，因此导致开关柜的体积增大、基础面积等加大、相配套的电气设备动热稳定水平也提高了几个等级。10kV开关柜系统改造占地面积大、停电周期长、企业投资大。

3.2 主变容量增大后导致10kV主母线需要更换

主变容量增大后导致短路电流增大，这样原来10kV主母线的截面积同样不满足要求，需要进一步按照新的短路电流来进行动热稳定校验，这样将使整个工程投资大幅提升。

四、解决问题的方案

4.1解决问题的常规方案

1）采用传统的限流电抗器限制短路电流，为了将10kV系统的短路电流限制在25kA以下，通额定电抗率为50%的限流电抗器。此种规格的电抗器制造工艺难度高、成本高、运行风险大等缺点。

2）2台主动力变压器扩容至50000kVA后，10kV侧额定电流2800A，总降10kV配电站进线断路器额定电流2500A不能满足主变扩容改造要求，需对进线柜进行更换。总降10kV配电站10kV母线截面积为1250mm

2最大载流量2650A，不能满足主变扩容改造要求，需对总降10kV配电站高压开关柜主母线进行改造。更换系统中的现有开关柜和母排。为了保证系统安全可靠运行，需将原10kV系统中开关柜更换为额定开断电流为63kA的断路器，原10kV系统中的母线及其支持绝缘子、进出线电缆、互感器、 接地开关都按照63kA进行重新设计和校验；必须停电、停产施工，建设周期长投入资金大。

4.2.无损耗深度限流技术

为解决公司10kV电力系统设备及线路老化，故障率高、抗短路能力不足、系统频繁越级跳闸等问题，公司首次在铅锌行业主动力变压器低压侧引入无损深度限流技术，引入了10kV深度限流技术，当系统发生短路时，深度限流装置可在20ms内投入限流电抗器，将系统断路器电流限制到50%以下，保护电网安全。

4.3系统优化设计方案

零损耗深度限流装置选择技术方案为了解决主变容量增大后，系统中开关的原有开断容量不足所带来的一系列问题及10kV主母线的动热稳定问题，建议在主变低压侧加装电抗器如图3所示。考虑到系统中开关的开断裕度，考虑80%的开断裕度，即需要将短路电流限制在25*0.8=20kA以下。                                

Xt===0.2745                                               图3 改后阻抗计算图

由于考虑并列运行，

XB1=XB2=0.27452=0.549

已知XT1=XT2=0.252

XB3=XB4=0.549-0.252=0.297                                                                                     

经计算得知主变低压侧电抗器不小于0.297，所以电抗率需要选到19%，此时短路电流限制到20kA以，保证了系统中开关的安全可靠运行；所以在2台主变压器10kV侧加装无损耗深度限流装置（如图4），型号为SHK-ZLB-3-10-3150-19%。解决了通过电抗器限流带来的能耗、电磁干扰噪音、电压降等一系列问题；避免了主变压器遭受大的短路电流的冲击，延长了主变压器的使用寿命。

图4 改后电气主接线图

4.4应用效果

1）限流效果：短路电流由原来的43.57kA限制到 19.37kA，单回路9.68ka。降低对主变压器的冲击，提高了变压器的抗短路能力，延长了变压器的使用寿命。

2）节能效果：与限流电抗器比

表1 电抗器的能耗计算表

五、结语

通过对10kV电力系统改造，公司内部10kV电网安全运行稳定性得到了提高，特别是10kV深度限流装置的技术引入，彻底解决了公司内部电网设备线路老化、接地故障频发的运行风险，确保公司生产、安全环保工作正常开展。公司应用的10kV深度限流装置技术优越、成熟，故障动作响应可靠，特别适用于有色冶炼行业内部电网，可以根据不同电网结构、运行方式、短路容量和限流需求进行订制。

企业电气系统中采用了无损耗深度限流装置，解决了因扩建导致的短路电流严重超标和开关遮断容量不足的问题，保证了10kV系统及开闭所系统中开关的安全可靠运行，避免了开关存在的开断失败的风险。

参考文献

[1] 《基于快速开关的某化工企业电气系统优化方案及应用》 学术期刊 供用电 2017年11期

[2] 《基于零损耗深度限流装置提升母线抗短路能力的研究》 学术期刊 当代化工研究 2020年3期

[3] 《变电站增容引起低压短路电流过大问题探究》  学术期刊 山东工业技术 2019年5期

[4] 《配电网多级继电保护配合的关键技术研究》 学位论文 西安理工大学 2015

[5] 《厂用35kV/10kV变电站电气主接线设计选择》 学术期刊 电气技术 2010年4期

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