短路電流限制措施在煤礦供電設計的應用

孫 劍

(太原科技大學, 山西 太原 030024)

0 引 言

隨著電網建設,電網容量不斷擴大,電力系統阻抗不斷減少,短路電流持續增大,出現了超過對煤礦井下隔爆設備分斷容量的情況。雖然現在井下隔爆設備不斷發展,研發出大短路電流開關,但老舊礦井數量龐大,大面積更換設備難度很大,而且對于新建礦井也存在分斷容量大的開關造價過高等問題。

1 問題提出

電網短路電流是指在斷路器的出口處三相金屬性短路電流。斷路器在制造上要有電氣、機械強度和熄弧能力,用于分斷或接通負荷電路,還要有分斷最大三相短路電流的能力。如果電力網發生三相短路故障,短路電流大于斷路器的最大分斷電流,斷路器將不能分斷故障電流,將造成供電中斷或電力電纜和變壓器等電氣設備著火事故[1]。受技術水平限制和電網實際情況,我國多年來隔爆斷路器開斷能力限制在12.5 kA,近些年出現了16 kA、20 kA設備,但普及率比較低,因設備成本造價過高,因此安裝限流電抗器在變電站出口或者坑口具有較高應用價值[2]。山西煤電集團某變電站項目中,由于是改造擴建煤礦,井下實際存在大量使用分斷能力12.5 kA設備,業主方要求繼續利用,故該項目有限制短路電流的實際需要。

煤礦隔爆設備分斷容量情況:根據《煤礦安全規程》第四百五十三條規定,井下電力網的短路電流不得超過其控制用的斷路器在井下使用的分斷能力,并應校驗電纜的熱穩定性[2]。

煤礦井濕度大,煤塵和CO2、NO、NO2、SO2等含量高,非煤礦用高壓斷路器在井下使用時,各種使用指標如機械強度、絕緣等級都有減弱。此時分斷電流等于或超過其額定值時會發生弧光放電,造成高壓斷路器事故,甚至造成煤礦爆炸事故,直接威脅礦井和井下作業人員安全[2]。

2 項目概況

山西煤電集團某變電站根據集團規劃,將現有礦擴建成為10.0 Mt/a左右的特大型現代化礦井。規劃的新開工(新建和改擴建)煤礦備選項目于2008年開工建設,礦井生產能力5.0 Mt/a。礦井具備了擴建特大型礦井的條件。為了解決新增負荷的供電問題,改善網架結構,增加供電能力,提高供電可靠性,新建一座110 kV變電站。根據規劃最終建設規模:主變壓器為3×40 MVA有載調壓變壓器,電壓等級110/35/10.5 kV。

為了保證煤炭行業供電可靠性,采用雙電源供電設計,按照一級負荷的供電電源要求接入系統。第一電源(主供)由山西某220 kV變電站供電,第二電源由某110 kV變電站供電。

3 短路電流計算和主要設備選型

3.1 短路電流計算

按最終規模3×40 000 kVA計算,主供電源參照該220 kV變電站2015年110 kV母線短路電流計算結果,110 kV母線短路容量為763 MVA,短路電流為4.0 kA。該項目中短路電流計算根據基本假定條件[1]。

3.2 基準值計算

取基準容量Sj=1 000 MVA,采用標幺值計算,只計算各元件電抗,如發電機、變壓器、電抗器、線路等。

3.3 各元件參數標幺值計算

3.4 系統側阻抗計算

根據系統參數,系統側阻抗值X*=(Sj/S″d)=1.31,其中S″d為短路容量。

3.5 線路阻抗計算

該項目主供電源系統阻抗較小的電源為某220 kV變電站電源,線路長度約30 km,采用LGJ-240/30導線,水平排列。線路標幺值X*L=XSj/U2j,有名值X=0.145lgD/(0.789r),其中r為導線半徑,D為導線幾何均距。簡化后經驗值為X=0.4 Ω/km。根據該項目情況及簡化經驗公式,得線路阻抗X*L=0.907。

3.6 變壓器及電抗器的標幺值計算

該項目選用三圈變壓器容量SN=40 MVA,YNyn0d11、Ud12%=10.5,Ud13%=18.0,Ud23%=6.5。變壓器標幺值X*d12=2.625,X*d23=4.5,X*d13=1.625;有名值Xd12=34.7 Ω,Xd23=5.51 Ω,Xd31=0.18 Ω。選用三圈變壓器進行網絡變換,對應各側阻抗計算。

3.7 網絡變換

該電站3臺變壓器全部投入運行,該220 kV變電站110 kV母線供電系統為最大系統。變電站系統接線示意圖如圖1所示,等效阻抗變換圖如圖2所示。

圖1 變電站系統接線示意圖

圖2 等效阻抗變換圖

3.8 選擇電抗器

根據短路計算結果和本地用電設備實際情況,采用限流電抗器將短路電流限制在12.5 kA以內,相對于大面積更換井下隔爆設備更加經濟合理和具有可操作性[3-6]。因此,對該變電站新建的設計中增加限流電抗器,使得井下現有設備滿足新供電系統要求,同時降低煤礦企業投資成本,更換或擴建新設備時仍然可采用分斷容量12.5 kA的產品。

該項目選用電抗器額定電壓10.5 kV,額定電流2 500 A,UK=8%,故電抗器標幺值X*k=1.76,有名值Xk=0.194。

3.9 軟件校驗

經驗算加入電抗器后滿足該站10 kV出線直接下井對現有設備要求,使用軟件仿真校驗。瞬時功率數據如表1所示,預設短路電壓為100%母線電壓。

表1 瞬時功率數據

仿真運行結果表明,選擇電抗器能滿足設計要求。

仿真結果與計算差異原因分析:驗算軟件ETAP在選擇設備時,自動錄入了設備實際電阻、電抗等參數;仿真采用實際設備參數,含有設備電阻計算,而標幺值計算為純電抗計算,忽略電阻影響情況,故仿真數據略小于實際計算數據,與實際系統運行情況更為接近。

3.10 設備選型

主變壓器選用SSZ10- 40000/110 型三繞組自冷式有載調壓變壓器,110±8×1.25%/38.5±2×2.5%/10.5,YNyn0d11,Uk12%=10.5,Uk13%=18.0,Uk23%=6.5,附零序電流互感器LRB-63,100～300/5A 5P20 20VA。

主變壓器中性點隔離開關型號為GW13-72.5,額定電流為630 A,熱穩定電流為20 kA,配CJ2電動操作機構。主變壓器中性點間隙互感器型號為LJW1-10W 150/5 5P20/5P20 20VA。

10 kV限流電抗器:為限制下井電源的短路電流,根據項目情況裝設9臺單相10 kV限流電抗器,分3組分別裝設在Ⅰ段、Ⅱ段和Ⅲ段10 kV戶外進線段,根據10 kV母線短路電流與下井電源要求控制短路電流(12.5 kA)。經計算選擇在10 kV母線進線段裝設2 500 A電抗值8%,單相電能損耗約為14.22 kW。

4 結 語

采用變電站內限流措施后,幾年來變電站運行平穩,因此認為采用限流電抗器方式限制短路電流是可行的。由于直接下井回路較多,設計安裝在變壓器出口處,下井電纜較少的變電站限制短路電流時也可設計安裝在下井坑口,減小限流電抗器容量要求。