摘要：超高功率整流器短路電流的計(jì)算對(duì)于其保護(hù)設(shè)計(jì)是必不可少的。本文通過一個(gè)實(shí)際的電化學(xué)工程項(xiàng)目，介紹了該超高功率整流器短路電流的計(jì)算方法，其計(jì)算值與實(shí)測(cè)值十分接近，證明了該計(jì)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(jì)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(jì)效益和社會(huì)效益，現(xiàn)在電解鋁工程的設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)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?jǐn)嗄芰κ窍⑾⑾嚓P(guān)的。三者之間的保護(hù)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(yùn)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(yùn)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(hù)的要求，必須計(jì)算整流設(shè)備的最大短路電流值。

    本文以我國(guó)一個(gè)單系列年產(chǎn)140kt電解鋁的整流電源系統(tǒng)的實(shí)際數(shù)據(jù)為例，計(jì)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(jì)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(xiàn)[1]，按短路損耗（折算至整流變壓器閥側(cè)）計(jì)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(shí)測(cè)直流電阻（折算至整流變壓器閥側(cè)）計(jì)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(shí)測(cè)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(shí)測(cè)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(shí)際運(yùn)行狀況，取RTB=0.042mΩ更符合實(shí)際情況。

2.1.2  電抗分量XTB

    1）按實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（折算至整流變壓器閥側(cè)）計(jì)算XTB

    有載開關(guān)在額定分接擋位（78擋）時(shí)，將調(diào)壓變壓器二次繞組短接，給一次繞組加勵(lì)磁電壓。測(cè)得調(diào)壓變壓器一次線電流I1=140.43A時(shí)，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(duì)短路阻抗電壓（折算至整流變壓器閥側(cè)）計(jì)算XTB

    調(diào)壓變壓器的相對(duì)短路阻抗電壓UTD=11.46％，調(diào)壓變壓器的基準(zhǔn)容量Sj=SN（額定容量）=2×54.99MVA，可以求得調(diào)壓變壓器的基準(zhǔn)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(xiàn)[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(shí)際運(yùn)行狀況，取XTB=1.19mΩ更符合實(shí)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算

    在油溫為18℃時(shí)，測(cè)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(shí)，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(shí)，測(cè)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(jì)算

    根據(jù)文獻(xiàn)[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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)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(lì)磁電壓。測(cè)得整流變壓器一次線電流IZ1=531.1/2=265.55A時(shí)，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(duì)短路阻抗電壓計(jì)算XZB

    整流變壓器的相對(duì)短路阻抗電壓UZD=6.36％，整流變壓器的基準(zhǔn)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(zhǔn)電抗XZj為：

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

    根據(jù)文獻(xiàn)[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(shí)際運(yùn)行狀況，取XZB=1.32mΩ更符合實(shí)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(cè)得的實(shí)際損耗來計(jì)算，每臺(tái)自飽和電抗器中含有12個(gè)自飽和電抗器單體。在額定電流下、油溫為75℃時(shí)，實(shí)際測(cè)得一臺(tái)自飽和電抗器的功率損耗ΔPM=38500W，這樣就可以計(jì)算出一個(gè)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和該整流電源系統(tǒng)的實(shí)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(jì)算值和實(shí)測(cè)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(yuǎn)大于整流機(jī)組的容量（約110MVA），所以在計(jì)算整流器閥側(cè)短路電流時(shí)，電網(wǎng)的短路阻抗可以忽略不計(jì)，它對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響不大，只是計(jì)算值稍大一些。故圖2中未計(jì)入電網(wǎng)的短路阻抗。

3  直流側(cè)短路（穩(wěn)態(tài)）電流

    一個(gè)整流電源機(jī)組的閥側(cè)繞組有四組，每組繞組對(duì)應(yīng)一個(gè)三相橋式整流電路。直流側(cè)發(fā)生短路時(shí)，一個(gè)整流電源機(jī)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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)（穩(wěn)態(tài)）短路電流

    當(dāng)一個(gè)整流機(jī)組中有一個(gè)整流臂因整流器件被擊穿，而發(fā)生橋臂短路時(shí)，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(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)比較

5．1  實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)

    在運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)不可能在整流機(jī)組處于額定運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行直流短路試驗(yàn)來實(shí)地測(cè)量短路電流，而只能在低壓條件下進(jìn)行，以驗(yàn)證計(jì)算方法的正確性。具體測(cè)試條件和數(shù)據(jù)如下：

    1)測(cè)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(jī)組直流輸出端直接短路。

    2)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)整流機(jī)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(shí)整流機(jī)組閥側(cè)的相電壓Ua1為：

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

5．2  計(jì)算數(shù)據(jù)

     1)計(jì)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(cè)得一次側(cè)電壓U11=3274V時(shí)，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(shí)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(shí)，調(diào)壓變壓器的阻抗ZTB=1.19mΩ，機(jī)組總阻抗Zg=2.0415mΩ；在第1擋時(shí)，調(diào)壓變壓器的阻抗ZTB1=0.011mΩ，整流機(jī)組總阻抗Zg1為：

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

    2)計(jì)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(shí)，一個(gè)機(jī)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(yǔ)

    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(jìn)行直流側(cè)短路試驗(yàn)，實(shí)測(cè)穩(wěn)態(tài)直流短路電流為61kA，與按本文介紹的計(jì)算方法所計(jì)算的短路電流值64.2kA基本接近，說明了這種計(jì)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(jì)算方法確定短路電流，作為保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)。