超高功率整流器短路電流的計算

摘要：超高功率整流器短路電流的計算對于其保護設(shè)計是必不可少的。本文通過一個實際的電化學(xué)工程項目，介紹了該超高功率整流器短路電流的計算方法，其計算值與實測值十分接近，證明了該計算方法的正確性。

關(guān)鍵詞：超高功率整流器;短路;短路電流計算

Calculation of Short Current of Superpower Rectifier

HUANG Da-hua, WU Tie-zheng

Abstract:It is necessary for the protection design of the superpower rectifier to calculate the short current. The calculation method of the short current for the superpower rectifier with the aid of a specific electrochemistry project is introduced. The calculated value approaches to the test value and the correctness of the calculation method is proved.

Keywords:Superpower rectifier; Short current; Calculation of short current?

1? 引言

??? 眾所周知，電解鋁廠是能耗大戶。為了降低電解鋁的單產(chǎn)成本、便于集中治理其產(chǎn)生的環(huán)境污染與諧波污染、提高經(jīng)濟效益和社會效益，現(xiàn)在電解鋁工程的設(shè)計年產(chǎn)量越來越高（如100kt,甚至更高）。因此，整流電源的功率隨之也越來越大。為了降低輸電系統(tǒng)的損耗、保證交流供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對于單系列年產(chǎn)100kt及以上的電解鋁工程，整流電源設(shè)備的網(wǎng)側(cè)多采用AC220kV高壓供電。于是，整流電源的供電系統(tǒng)短路容量也越來越大。

??? 對于超高功率的整流設(shè)備，閥側(cè)短路電流值與整流器件能夠承受的浪涌電流（或I2t）及快速熔斷器的極限分斷能力是息息相關(guān)的。三者之間的保護配合是否合理，直接關(guān)系到整流電源設(shè)備能否安全可靠地運行。

??? 整流器件的浪涌電流（或I2t）與快速熔斷器的I2t都可以從其產(chǎn)品說明書中查到，但整流電源系統(tǒng)的短路電流值是查不到的。整流電源系統(tǒng)的短路電流值取決于整流系統(tǒng)的短路阻抗和電力系統(tǒng)的阻抗之和，而后者又與電力系統(tǒng)的運行狀況和短路容量有關(guān)。因此，為了合理地選配整流器件和快速熔斷器的有關(guān)參數(shù)、并使之滿足系統(tǒng)保護的要求，必須計算整流設(shè)備的最大短路電流值。

??? 本文以我國一個單系列年產(chǎn)140kt電解鋁的整流電源系統(tǒng)的實際數(shù)據(jù)為例，計算其橋臂短路（閥側(cè)短路）電流值和直流側(cè)短路電流值。整流電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及有關(guān)電氣參數(shù)，如圖1所示。

圖1? 整 流 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 和 技 術(shù) 參 數(shù)

2? 整流電源系統(tǒng)短路阻抗計算

2.1? 調(diào)壓變壓器阻抗

2.1.1? 電阻分量RTB

??? 1）根據(jù)文獻[1]，按短路損耗（折算至整流變壓器閥側(cè)）計算，其電阻分量RTB為：

?? RTB=△PTD/3(IZ2N)2

????? =463.06×103/3(4×15102)2

????? =0.042×10－3Ω=0.042mΩ

式中：△PTD——調(diào)壓變壓器短路損耗(額定容量下、油溫75℃)；

????? IZ2N——整流變壓器閥側(cè)額定電流，

????? IZ2N=37000/(2×1.225)=15102A。

??? 2）按繞組實測直流電阻（折算至整流變壓器閥側(cè)）計算RTB。

??? 在油溫為18℃的條件下，調(diào)壓變壓器一次側(cè)（Y形連接）各相繞組直流電阻ROA、ROB和ROC的實測值為ROA=ROB=ROC=761mΩ；在油溫為18℃、調(diào)壓變壓器二次側(cè)有載開關(guān)在額定分接擋位（78擋）的條件下，調(diào)壓變壓器二次側(cè)（△形連接）各相之間直流電阻Rab、Rbc和Rca的實測值為Rab=Rbc=Rca=92mΩ，調(diào)壓變壓器的電阻分量RTB為：

??? RTB=ROA/(kTBkZB)2＋Rab/2kZB2

?????? =761/(3.627×57.76)2＋92/2×57.762

?????? =0.031mΩ

式中：kTB=3.627——調(diào)壓變壓器的電壓變比（有載開關(guān)在額定分接擋位78擋的條件下）；

????? kZB=57.76——整流變壓器的電壓變比。

??? 考慮到調(diào)壓變壓器實際運行狀況，取RTB=0.042mΩ更符合實際情況。

2.1.2? 電抗分量XTB

??? 1）按實測數(shù)據(jù)（折算至整流變壓器閥側(cè)）計算XTB

??? 有載開關(guān)在額定分接擋位（78擋）時，將調(diào)壓變壓器二次繞組短接，給一次繞組加勵磁電壓。測得調(diào)壓變壓器一次線電流I1=140.43A時，一次線電壓UAB=12694V。忽略電阻的影響，則有：

??? XTB≈ZTB=UAB/(I1kTB2kZB2)

?????? =12694/(×140.43×3.6272×57.762)

?????? =0.00119Ω=1.19mΩ

??? 2）按相對短路阻抗電壓（折算至整流變壓器閥側(cè)）計算XTB

??? 調(diào)壓變壓器的相對短路阻抗電壓UTD=11.46％，調(diào)壓變壓器的基準容量Sj=SN（額定容量）=2×54.99MVA，可以求得調(diào)壓變壓器的基準電抗Xj為：

??? Xj=UZ22/Sj=10502/(2×54.99×106)

???? =10.025×10－3Ω=10.025mΩ

式中：UZ2=1050V——整流變壓器閥側(cè)線電壓。

??? 根據(jù)文獻[1]，調(diào)壓變壓器的電抗分量XTB為：

??? XTB=UTD·Xj=0.1146×10.025×10－3

????? =0.00115Ω=1.15mΩ

??? 考慮到調(diào)壓變壓器實際運行狀況，取XTB=1.19mΩ更符合實際情況。

2.2? 整流變壓器短路阻抗

2.2.1? 電阻分量RZB

??? 1)根據(jù)實測數(shù)據(jù)計算

??? 在油溫為18℃時，測得整流變壓器一次側(cè)Y形連接繞組兩相之間的直流電阻RAB=163.4mΩ,折算至整流變壓器閥側(cè)時，可以求得整流變壓器一次側(cè)一相的等效直流電阻RZB1為：

??? RZB1=RAB/(2kZB2)=163.4/〔2(57.76)2〕=0.024mΩ

??? 在油溫為18℃時，測得整流變壓器二次側(cè)（即閥側(cè)）繞組兩相之間的直流電阻Rab=0.15mΩ,由此可以求得整流變壓器閥側(cè)一相的等效直流電阻RZB2為：

??? RZB2=Rab/2=0.15/2=0.075mΩ

??? 整流變壓器的電阻分量RZB為：

??? RZB=RZB1＋RZB2/2=0.024＋0.075/2=0.0615mΩ

??? 2)按短路損耗計算

??? 根據(jù)文獻[1]，按短路損耗，以求得整流變壓器的電阻分量RZB為：

??? RZB=RZB1＋RZB2/2=ΔPZD/〔3×2(2×IZ2N)2〕

?????? =480210/〔6(2×15102)2〕=0.00009Ω=0.09mΩ

式中：ΔPZD——整流變壓器短路損耗（額定容量下、油溫75℃）;

?????? IZ2N——整流變壓器閥側(cè)額定電流。

??? 為了將整流變壓器一次側(cè)直流電阻RZB1和二次側(cè)直流電阻RZB2區(qū)分開來，所以取RZB1=0.024mΩ、RZB2=0.075mΩ，取整流變壓器的電阻分量RZB=0.0615mΩ。

2.2.2? 電抗分量XZB

??? 1）按實測數(shù)據(jù)計算XZB

??? 將整流變壓器二次繞組中的一組短接，給一次繞組加勵磁電壓。測得整流變壓器一次線電流IZ1=531.1/2=265.55A時，其線電壓UZAB=2025.4V。忽略電阻的影響，則有：

??? XZB≈ZZB=UZAB/(IZ1kZB2)=2025.4/(×265.55×57.762)=0.00132Ω=1.32mΩ

??? 2）按相對短路阻抗電壓計算XZB

??? 整流變壓器的相對短路阻抗電壓UZD=6.36％，整流變壓器的基準容量SZj=SZN(整流變壓器額定容量)=54.99MVA，可以求得整流變壓器的基準電抗XZj為：

??? XZj=UZ22/SZj=10502/(54.99×106)=20.05×10－3=20.05mΩ

??? 根據(jù)文獻[1]，整流變壓器的電抗分量XZB為：

??? XZB=UZD·XZj=0.0636×20.05×10－3=0.00128Ω=1.28mΩ

??? 考慮到整流變壓器實際運行狀況，取XZB=1.32mΩ更符合實際情況。

2.3? 自飽和電抗器阻抗

2.3.1? 電阻分量RM

??? 自飽和電抗器的電阻分量RM按測得的實際損耗來計算，每臺自飽和電抗器中含有12個自飽和電抗器單體。在額定電流下、油溫為75℃時，實際測得一臺自飽和電抗器的功率損耗ΔPM=38500W，這樣就可以計算出一個自飽和電抗器單體電阻分量RM為：

??? RM=ΔPM/(12×IM2)=38500/(12×107302)=0.028×10－3=0.028mΩ

式中：IM=10730A——自飽和電抗器電流。

2.3.2? 電抗分量XM

??? 根據(jù)實踐經(jīng)驗和該整流電源系統(tǒng)的實際情況，取自飽和電抗器的電抗（含閥側(cè)交流母線的電抗）XM=0.75mΩ。

2.4? 整流系統(tǒng)的短路阻抗分布圖

??? 根據(jù)2.1,2.2,2.3的計算值和實測值可做出整流系統(tǒng)的短路阻抗（額定條件下的等效阻抗）分布圖，如圖2所示。

圖2? 短 路 阻 抗 （ 額 定 條 件 下 的 等 效 阻 抗 ） 分 布 圖

由于電網(wǎng)的最大短路容量（7676MVA）遠大于整流機組的容量（約110MVA），所以在計算整流器閥側(cè)短路電流時，電網(wǎng)的短路阻抗可以忽略不計，它對計算結(jié)果的影響不大，只是計算值稍大一些。故圖2中未計入電網(wǎng)的短路阻抗。

3? 直流側(cè)短路（穩(wěn)態(tài)）電流

??? 一個整流電源機組的閥側(cè)繞組有四組，每組繞組對應(yīng)一個三相橋式整流電路。直流側(cè)發(fā)生短路時，一個整流電源機組的總阻抗等值電路如圖3所示。

圖 3? 直 流 側(cè) 短 路 等 值 電 路

圖中：Ea=UZ2/=1050/=606V——整流變壓器閥側(cè)等值相電壓[1]；

??? Xg=XTB＋XZB/2＋XM/4=1.19＋0.66＋0.19=2.04mΩ——直流短路等值電抗；

??? Rg=RTB＋RZB1/2＋（RM＋RZB2）/4=0.042＋0.012＋0.026=0.08mΩ——直流短路等值電阻；

??? Zg===2.0415mΩ——直流短路等值阻抗[1]。

3.1? 整流變壓器每個閥側(cè)繞組的線電流有效值ID1[1]

??? ID1=(1/4)×Ea/Zg=606/(4×2.0415×10－3)=74.2kA

3.2? 三相整流橋每個橋臂的短路電流有效值IbD1[1]

??? IbD1=Ea/(4·Zg)=606/(4·×2.0415×10－3)=52.5kA

3.3? 每個三相整流橋的直流短路電流平均值IbDP1[1]

??? IdDP1=1.35×(Eq/4Zg)=1.35×606/(4×2.0415×10－3)=100.2kA

4? 橋臂短路時（穩(wěn)態(tài)）短路電流

??? 當一個整流機組中有一個整流臂因整流器件被擊穿，而發(fā)生橋臂短路時，其短路阻抗Zbg為：

Zbg===3.265mΩ

式中：Xbg=XTB＋XZB＋XM=1.19＋1.32＋0.75=3.26mΩ——橋臂短路電抗；

????? Rbg=RTB＋RZB1＋RZB2＋RM=0.042＋0.024＋0.075＋0.028=0.17mΩ——橋臂短路電阻。

4.1? 故障橋臂短路電流（周期分量）的穩(wěn)態(tài)有效值IbD1[1]

???? IbD1=Eq/Zbg=606/(3.265×10－3)=186kA

4.2? 故障橋臂穩(wěn)態(tài)短路電流（周期分量）的最大值IDm[1]

???? IDm=IbD1=×186=263kA

5? 實際試驗數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)比較

5．1? 實際試驗數(shù)據(jù)

??? 在運行現(xiàn)場不可能在整流機組處于額定運行狀態(tài)下進行直流短路試驗來實地測量短路電流，而只能在低壓條件下進行，以驗證計算方法的正確性。具體測試條件和數(shù)據(jù)如下：

??? 1)測試條件調(diào)壓變壓器的有載開關(guān)位于最低的第1擋，整流變壓器閥側(cè)空載交流電壓為U2=80V；自飽和電抗器偏移繞組的偏移電流為DC10A，控制繞組的控制電流為0A；整流機組直流輸出端直接短路。

??? 2)實測數(shù)據(jù)整流機組的直流短路輸出為Ud=12V（系短路母線兩端的電壓），Id=61kA。此時整流機組閥側(cè)的相電壓Ua1為：

??? Ua1=(U2－Ud/1.35)/=(80－12/1.35)/=41V

5．2? 計算數(shù)據(jù)

???? 1)計算依據(jù)同樣使調(diào)壓變壓器的有載開關(guān)位于最低的第1擋，將其二次側(cè)短接，給一次側(cè)加電壓，測得一次側(cè)電壓U11=3274V時，一次側(cè)電流I11=20.4A。調(diào)壓變壓器在第1擋的變比為kTB1=50，可以求得調(diào)壓變壓器在該擋的實際短路阻抗（折算到整流變壓器閥側(cè)）ZTB1為：

??? ZTB1=U11/(I11)=3274/(×20.4×502×57.762)=0.011×10－3Ω=0.011mΩ

??? 而調(diào)壓變壓器有載開關(guān)位于第78擋（額定分接擋）時，調(diào)壓變壓器的阻抗ZTB=1.19mΩ，機組總阻抗Zg=2.0415mΩ；在第1擋時，調(diào)壓變壓器的阻抗ZTB1=0.011mΩ，整流機組總阻抗Zg1為：

???? Zg1=Z0－ZTB＋ZTB1=2.0415－1.19＋0.011=0.8625mΩ

??? 2)計算數(shù)據(jù)調(diào)壓變壓器有載開關(guān)位于最低的第1擋時，一個機組的直流短路電流Id1為：

????? Id1=13.5(Ea1/Zg1)=1.35×41/(0.8625×10－3)=64.2kA

6? 結(jié)語

??? 在調(diào)壓變壓器有載開關(guān)位于最低的第1擋的情況下，進行直流側(cè)短路試驗，實測穩(wěn)態(tài)直流短路電流為61kA，與按本文介紹的計算方法所計算的短路電流值64.2kA基本接近，說明了這種計算方法基本上是正確的，可以在超高功率整流電源設(shè)備中參照這一計算方法確定短路電流，作為保護系統(tǒng)設(shè)計的依據(jù)。

參考文獻

[1]? 沈陽鋁鎂設(shè)計研究院電力室.硅整流所電力設(shè)計.冶金工業(yè)出版社.1983.