水泥廠余熱發電對系統短路電流的影響及限制措施

李傳祥，鄧國平（中國中材國際工程股份有限公司（南京），江蘇 南京 211100）

1 限制短路電流的必要性

短路（Short circuit）是指在正常電路中電勢不同的兩點不正確地直接碰接或被阻抗（或電阻）非常小的導體接通時的情況。短路時電流強度很大，往往會損壞電氣設備或引起火災。例如，在發電機發生短路時，流過發電機的短路電流最大瞬時值可達額定電流的10～15倍。大容量電力系統中，短路電流可達數萬安。這會對電力系統的正常運行造成嚴重影響和后果。

短路電流將引起下列嚴重后果：短路電流往往會有電弧產生，它不僅能燒壞故障元件本身，也可能燒壞周圍設備和傷害周圍人員。巨大的短路電流通過導體時，一方面會造成導體過熱，絕緣損壞；另一方面巨大的短路電流還將產生很大的電動力作用于導體，使導體變形或損壞。短路故障可能會同時引起系統電壓大幅度降低，特別是靠近短路點處的電壓降低得更多，從而可能導致部分用戶或全部用戶的供電遭到破壞，使供電設備的正常工作受到損壞，也可能導致工廠的產品報廢或設備損壞，如電動機過熱受損等。電力系統中出現短路故障時，系統功率分布的突然變化和電壓的嚴重下降，也可能破壞各發電廠并聯運行的穩定性，使整個系統解列。短路電流具有很大危害，必須在短時間內跳開斷路器切斷短路電路，斷路器的短路電流能力有限，在設計選型時應計算短路電流，選擇對應的斷路器等一次設備，并且根據短路電流計算結果校驗斷路器、電纜等其他一次設備和整定保護裝置的保護定值。

隨著余熱發電的技術日益成熟，國家對能源的重視和對節能減排的扶持，工業和信息化部關于部分產能嚴重過剩行業產能置換實施辦法通知的發布，越來越多的可利用余熱的企業都意識到了余熱發電所帶來的效益，對發展余熱發電項目持積極態度。余熱發電改造項目越來越多，在改造過程中經常會遇到這種問題，一些比較老舊的水泥廠在余熱發電機組并網后，會出現短路遮斷容量不夠的情況，必須對增加的短路電流加以限制，把短路電流限制在設備遮斷容量范圍內，保證電力系統和設備安全。

2 余熱發電對系統短路電流的影響

新建的余熱發電系統與水泥線總降并網運行后，會使系統短路電流增加，此時應重新計算系統短路電流，校驗斷路器的遮斷容量，如果超出現有斷路器的遮斷容量應采取相應的限流措施，保證最大短路電流不超過現有斷路器的遮斷容量。

2.1 系統短路電流分析

以伊拉克MASS集團25MW余熱發電改造項目為例，此項目較為特殊，三條水泥生產線余熱鍋爐加兩臺重油鍋爐共同帶動一套25MW的發電機組，發電機組3條出線到3條水泥線總降，且3條水泥線運行工況較為復雜，具有參考意義。本文將通過此項目案例分析計算說明不同限流方案的應用結果。

MASS公司原有3條水泥生產線，配有2個132/33 kV廠外總降，3個33/6.6 kV廠內總降，由兩回132 kV進線供電（見圖1），3條水泥生產線均已投運，本期新建1臺25 MW余熱發電機組，分3條6.60kV并網線路并入廠內總降6.6 kV母線（見圖2）。

圖1 MASS三條水泥線電力系統圖

圖2 余熱發電主接線圖

當余熱發電不與水泥線總降并網運行時，運用ETAP軟件計算分析水泥線的短路電流（MASS公司只能提供3條水泥線的設備參數，外網系統短路容量無法提供，結合MASS水泥線的當地情況，外網系統短路容量按照估計值500 MVA給定），見圖3～6。

由計算結果可知，余熱發電機組接入三條水泥線總降中的任意一個，短路電流都會超出現有斷路器的遮斷容量（Id=31.5 kA）。所以必須采取行之有效的限流措施才能保證設備安全。

2.2 系統短路電流限制方法

余熱發電采用的限制短路電流的方式通常有這幾種：（1）采用限流電抗器；（2）采用快速限流裝置；（3）改變接線方式（例如提高電壓等級）。下文仍然以MASS項目為例，簡單分析各種限流方式的優缺點。

圖3 一線水泥線總降6.6 kV母線三相短路電流有效值Id1=26.86 kA

圖4 二線水泥線總降6.6 kV母線三相短路電流有效值Id2=29 kA

圖5 三線水泥線總降6.6 kV母線三相短路電流有效值Id3=28.21 kA

2.2.1 采用限流電抗器

在電力系統發生短路時，為了滿足斷路器遮斷容量的要求，通常在余熱發電機組出線斷路器處串聯電抗器，增大短路阻抗，限制短路電流。采用限流電抗器的優點是在發生短路時，電抗器上的電壓降較大，所以可以起到維持母線電壓水平的作用，使母線上的電壓波動較小，保證了非故障線路上的用戶電氣設備運行的穩定性，缺點是為了保持線路的壓降在5%內，電抗器限制短路電流的能力有限。MASS項目業主要求余熱發電機組同時接入多個水泥線總降的6.6 kV母線，這會導致多個水泥線電力系統并列運行，短路電流異常的大，所以不能采用限流電抗器的限流方式。

圖6 當余熱發電機組不與水泥線總降并網時，余熱發電機組6.6 kV母線三相短路電流有效值Id4=29.03 kA

2.2.2 采用快速限流裝置

如圖7所示，次暫態時第一個大半波預期峰值電流可達到最大值，遠遠超過系統開關設備及母線的峰值耐受電流額定值31.5 kA，系統設備的動穩定將受到電動力的破壞。同時由于斷路器的特性，只有在電流過零時方能熄弧，所以無法在第一個1/4周波初期開斷短路電流，其只能在多個周波進入穩態時才能熄弧開斷，在此期間隨著熱量的積累，系統設備還將承受熱穩定的破壞。

圖7 無限流裝置的短路電流變化波形圖

對于異常高的短路電流第一個大半波峰值，斷路器由于動作太慢不能提供任何保護，如圖8所示快速限流裝置可以在電流上升的初期（小于1ms）即對其感知并加以限制，并在短路電流瞬時值還遠沒上升到預期峰值之前將其開斷，所出現的短路電流最大瞬時值永遠低于短路電流第一個大半波峰值。

通常在余熱發電機組出線和擬接入的水泥線總降之間串聯快速限流裝置，當水泥線總降或余熱發電機組發生可能超過原系統設備額定短路容量的短路故障時，快速限流裝置能在短路電流上升的初始階段即動作，在瞬時電流達到允許值之前，就解裂余熱發電和水泥線總降系統網絡，從而將水泥線總降和余熱發電機組的短路電流限制在原設備可以承受的范圍之內。

圖8 加限流裝置后的短路電流變化波形圖

快速限流裝置的優點是很大程度上可以改善許多原有水泥線電力系統由于短路容量不足而不得不改造的局面，只要原有設備可以正常運行，通過連接快速限流裝置，原有的水泥線電力系統無需任何改造，即可與新增加的余熱發電機組系統并網，節省改造投資費用，縮短改造周期，而且能充分利用原有設備，延長設備的使用周期。

MASS項目業主要求余熱發電機組接入三個總降，但是三線水泥線總降跟一、二線水泥線總降的外網來自不同的系統。由于存在同期問題，余熱發電機組最多只能同時接入一、二線水泥線總降。經過余熱發電機組接入水泥線總降的短路電流計算分析，當余熱發電機組同時接入一、二線水泥線總降時且不采取限流措施時，系統短路電流計算分析結果如下：

（1）一線水泥線總降6.6kV母線三相短路電流有效值Id1=75.52kA；

（2）二線水泥線總降6.6 kV母線三相短路電流有效值Id2=75.74kA；

（3）三線水泥線總降6.6kV母線三相短路電流有效值Id3=28.21 kA；

（4）余熱發電機組6.6 kV母線三相短路電流有效值Id4=77.06 kA。

根據上述計算結果，6.6 kV母線最大的三相短路電流有效值為Id4=77.06 kA，這個數值在快速限流裝置的能力范圍內，采用快速限流裝置的限流措施是可行的。但是這種裝置同樣也存在著缺點，快速限流裝置一旦發生動作，就要更換備件，后期維護麻煩，成本費用較高。

2.2.3 改變接線方式

根據供電的需要，提高電力系統的電壓等級可以有效限制短路電流。MASS項目三條水泥線總降的電壓等級為33kV/6.6kV，經過前面的短路電流計算分析得知，如果余熱發電機組直接接入6.6 kV肯定會超過現有斷路器的遮斷容量，如果把余熱發電接入水泥線總降33kV側短路電流會減少很多，經過ETAP軟件仿真計算分析，當余熱發電機組出線經過6.6/33 kV的升壓變接入水泥線總降33 kV側時，此時的短路電流見表1。

通過表1可以發現當余熱發電機組接入任何一條水泥線時，只有接入2、3線水泥線總降時才會超過斷路器的遮斷容量并且只超出不到1 kA。主要是余熱發電貢獻的短路電流太大，經過再次的討論和計算在發電機出口裝一臺限流電抗器就可以把短路電流限制在斷路器遮斷容量內。在發電機出口裝設一臺限流電抗器后，此時的短路電流見表2。

此時無論發電機接入那一條水泥線短路電流都會限制在原有斷路器遮斷容量31.5 kA內。綜上所述，此方案理論上可行，優點是具有高可靠性，成本較快速限制裝置的方案低，但是缺點是需增加一臺6.6 kV/33 kV升壓變和一臺限流電抗器，設計的改造問題較多，施工周期和難度增加，后期運行損耗也增大。

表1 余熱發電機組出線接入水泥泥總降側時的短路電流 kA

表2 在發電機出口裝設限流電抗器時的短路電流 kA

結合項目具體情況，經過多次跟伊拉克MASS公司的技術交流和協商，業主最終同意采用快速限流裝置來限制短路電流的方案。

3 結語

本文以MASS水泥廠25 MW余熱發電改造項目為例，簡單介紹了余熱發電對水泥廠短路電流的影響，分析了幾種常見的限流措施的優缺點。在水泥廠新增余熱發電的改造項目中應核驗原有斷路器的遮斷容量是否能滿足要求，如不滿足要求，須根據項目的具體情況，遵照安全、可靠、經濟和靈活的原則，采取相應的限流措施來保證電力系統和設備的安全。