發(fā)電廠低壓柴油發(fā)電機配電系統短路電流計算

羅 楠，楊 冰，鄧 輝，陶佳燕

（1.中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071；2.國網武漢供電公司，湖北 武漢 430050）

0 引 言

發(fā)電廠是將其他形式的能量轉化為電能的場所，其中火力發(fā)電廠是目前我國發(fā)電廠中占比最大的一種形式。火電廠的能量轉化過程比較復雜，燃燒的化學能通過鍋爐吸熱轉化為蒸汽的熱能，蒸汽推動汽輪機做功，轉化為汽輪發(fā)電機轉子的機械能，發(fā)電機轉子切割磁感線轉化為電能。整個過程涉及的工藝系統也比較多，如輸煤、化水、汽機、鍋爐以及供水等。火力發(fā)電廠電氣專業(yè)除了將發(fā)電機發(fā)出的電能持續(xù)可靠地外送至電力系統外，還要為發(fā)電廠內所有工藝的專業(yè)設備提供安全穩(wěn)定的電源系統，以保障整個發(fā)電廠正常運行。

按照火力發(fā)電廠的廠用電負荷對人身安全和設備安全的重要性，可將其分為非0類負荷和0類負荷。

非0類負荷停電不會影響人身安全和設備安全，因此對于此類（I，II，III類）中75 kW以下的廠用電負荷，通常由1個雙電源供電的電動機控制中心（MCC）供電，對接有I類負荷的電動機控制中心雙電源應自動切換，僅接有II類負荷的電動機控制中心雙電源可手動切換。簡單來說，對于75 kW以下的非0類負荷，自動/手動切換的雙電源MCC即可滿足供電要求。

0類負荷停電將直接影響人身安全和設備安全，因此0類負荷供電可靠性要求更高。在機組停機或正常電源失電后，OI類負荷應由交流不間斷電源（UPS）連續(xù)供電，0II類負荷應由直流電源供電，0III類負荷應由交流保安電源系統（柴油發(fā)電機組）供電。

交流保安MCC較非0類負荷供電的MCC增加了一路低壓交流保安電源，即由雙電源切換的MCC變?yōu)榱巳娫辞袚Q的MCC，且其中一路電源由柴油發(fā)電機組供電。交流保安MCC短路水平是否會因為柴油發(fā)電機組電源的引入而提高，是本文要研究的問題。

1 柴油發(fā)電機配電系統切換邏輯

柴油發(fā)電機配電系統簡圖如圖1所示。

1.1 保安電源切換邏輯

正常運行時保安母線段（保安MCC）應由本機組的低壓明或暗備用動力中心供電（互為備用的兩路工作電源），當確認本機組動力中心真正失電（兩路工作電源失電）后應能切換到交流保安電源（備用電源）供電。工作電源失電，啟動柴油發(fā)電機組，當達到額定轉速并建立電壓后，閉合發(fā)電機出口斷路器（CB1），當檢測到保安PC電壓正常后，跳開保安MCC工作電源斷路器（CB4/CB5），確認保安MCC工作電源斷路器分閘位置后，合閘保安PC饋線斷路器（CB2），最后合閘保安MCC備用電源斷路器（CB3）。

圖1 柴油發(fā)電機配電系統簡圖

1.2 工作電源恢復后切換邏輯

若一段時間后故障解除，本機組動力中心恢復供電，則柴油機控制系統將收到串聯切換或者并聯切換信號以及恢復廠用電命令，系統啟動逆向切換程序，將各保安MCC由備用電源切換至工作電源供電。

當收到串聯切換信號時，程序控制系統首先跳開保安MCC備用電源斷路器（CB3），當檢測到備用電源斷路器處于分位后，再閉合工作電源斷路器（CB4/CB5）。在此切換方式下，保安MCC從始至終只有一路進線電源，無兩路電源并列的情況。

當收到并聯切換信號時，程序控制系統采用同期合閘方式，先合該保安MCC段工作電源斷路器（CB4/CB5），再跳開備用電源斷路器（CB3）。并聯切換過程中，保安MCC存在工作電源和備用電源短時并列的情況，若此時保安MCC發(fā)生短路故障，則除了廠用電系統均會為保安MCC提供短路電流，保安MCC供電的電動機會出現較大的反饋電流以外，柴油發(fā)電機系統也會對保安MCC提供短路電流，這些短路電流將一起對系統的開關設備造成破壞。與火力發(fā)電廠其他動力中心短路相比，保安MCC短路增加了柴油發(fā)電機系統短路電流，在柴油發(fā)電機系統配電設備選型時，需要充分考慮此種極端情況下的短路沖擊。

本文介紹了用一個等效電壓源計算低壓柴油發(fā)電機配電系統短路電流的方法，并結合工程實例進行相關計算。

2 短路電流計算

短路電流計算需要以如下條件為基礎：短路類型不會隨短路的持續(xù)時間而變化；電網結構不隨短路持續(xù)時間變化；不計電弧的電阻；除零序系統外，忽略所有線路電容、并聯導納、非旋轉型負荷。雖然這些假設并不嚴格成立，但是可以給出準確度較高的結果。

2.1 柴油發(fā)電機組短路電流

發(fā)電機是電感性元件，當發(fā)電機發(fā)生短路時，電壓瞬間降低，但電感元件的電流是不能突變的，所以電感元件中的磁場將產生一個反電勢，來維持電流逐漸變小。對于遠端和近端短路，都可用一等效電壓源計算短路電流。短路點用等效電壓源代替，該電壓源為網絡的唯一電壓源，其他電源（如電動機和饋電網絡的電勢）都視為零，并以自身內阻抗代替。在低壓電網中，發(fā)電機不經過變壓器直接接入電網，計算對稱短路電流初始值時，發(fā)電機正序阻抗為：

式（1）中：X''d為發(fā)電機直軸超瞬變電抗；KG為校正系數，計算公式如式（2）所示。

式中：cmax為最大電壓系數，取1.05；Un為系統標稱電壓；UrG為發(fā)電機額定電壓；φrG為發(fā)電機額定功率因數角度；x''d為發(fā)電機的相對電抗，其計算公式為：

對稱短路電流 初始值：

式中，若電阻Rk小于0.3Xk，可忽略。

2.2 廠用電系統短路電流

廠用電系統對保安母線短路故障貢獻短路電流可根據《火力發(fā)電廠廠用電設計技術規(guī)程》（DL/T 5153—2014）中“附錄N 380 V系統短路電流計算曲線”查表得出，具體如下。

Lc為動力中心至電動機控制中心供電的電纜長度，如電纜截面及導體材料與圖表不同，則應按式（5）歸算至同一截面的電纜長度，然后按此長度查取短路電流。

式中：Lc為歸算至同一截面的鋁芯電纜計算長度（m）；S1、ρ1表示所列電纜截面面積（m2）和電阻系數（（Ω·mm2）/m）；L2、S2、ρ2表示不同截面不同材料的電纜的長度（m）、截面面積（m2）、電阻系數（（Ω·mm2）/m）。

2.3 短路時電動機反饋電流

系統短路時，短路點處電壓會瞬間變成零，但電動機轉子電流不能突變，會存在磁鏈，且與電動機轉子繞組合成磁鏈成正比，短路前后不能突變的次暫態(tài)電動勢大約等于1，會造成電動機變成一個附加電源向短路點反饋短路電流。

保安MCC段異步電動機總功率暫按保安MCC段計算容量（kVA）的60%考慮。

式中：I''d表示電動機反饋電流周期分量的起始有效值（kA）；Ie表示配電段額定電流（A）。

3 工程應用實例

某項目選用1臺STAMFORD PI734B柴油發(fā)電機作為電廠應急柴油發(fā)電機，保安電源接線圖如圖2所示。

圖2 某項目保安電源接線圖

發(fā)電機本體接線端至發(fā)電機出口開關柜間采用7根NA-YJV-0.6/1-3X185+1X95電纜，長度10 m，發(fā)電機出口開關柜至保安MCC1段采用6根NA-YJV-0.6/1-3X185+1X95電纜，長度20 m，工作PC1A段至保安MCC1段由6根NA-YJV-0.6/1-3X185+1X95電纜連接，長度35 m，單根電纜阻抗Zc=0.099 1+j0.078（Ω/km）；發(fā)電機額定電壓Ud，功率因數cosφ=0.8，基準容量1 400 kVA，配電系統標稱電壓Un=400 V，定子電阻RG=0.001 6 Ω，超瞬態(tài)電抗相對值x''d=0.15；低壓廠用變容量2 000 kVA，Ud=10%；保安MCC1段進線計算容量為689.34 kVA。

當廠用電失電后恢復供電，柴油機控制系統采用并聯切換的方式恢復保安MCC1段工作電源供電，對于保安MCC1段，柴油發(fā)電機電源和工作電源會出現短時并列的情況，如果此時發(fā)生三相短路，則等值電路如圖3所示。

圖3 等值電路圖

低壓廠用變壓器回路貢獻的三相短路電流周期分量有效值為24.27 kA。由于本工程低壓系統標稱電壓為400 V，故電壓修正后的低壓廠用變壓器回路短路電流周期分量有效值為：I''B=25.48 kA。

（3）電動機反饋電流

保安MCC1段上電動機反饋電流：

則并聯切換時保安MCC1發(fā)生短路，短路電流值為：

在上述算例中，柴油發(fā)電機貢獻的短路電流占比高達31.82%，因此在低壓開關設備選型時保安MCC的短路水平需單獨考慮。對于本項目，保安MCC1段上開關的短路分斷能力選擇50 kA的產品即可滿足要求。

4 結 論

由于保安MCC進線增加了應急柴油發(fā)電機電源進線，因此與火力發(fā)電廠一般電動機控制中心相比，短路電流會增加柴油發(fā)電機回路的貢獻電流，比一般電動機控制中心短路電流更大。在配置相關低壓配電裝置時需對保安MCC段的短路水平單獨驗算，以防造成設備參數錯誤。