超高功率整流器短路电流的计算

摘要：超高功率整流器短路电流的计算对于其保护设计是必不可少的。本文通过一个实际的电化学工程项目，介绍了该超高功率整流器短路电流的计算方法，其计算值与实测值十分接近，证明了该计算方法的正确性。

关键词：超高功率整流器;短路;短路电流计算

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

    众所周知，电解铝厂是能耗大户。为了降低电解铝的单产成本、便于集中治理其产生的环境污染与谐波污染、提高经济效益和社会效益，现在电解铝工程的设计年产量越来越高（如100kt,甚至更高）。因此，整流电源的功率随之也越来越大。为了降低输电系统的损耗、保证交流供电系统的稳定性，对于单系列年产100kt及以上的电解铝工程，整流电源设备的网侧多采用AC220kV高压供电。于是，整流电源的供电系统短路容量也越来越大。

    对于超高功率的整流设备，阀侧短路电流值与整流器件能够承受的浪涌电流（或I2t）及快速熔断器的极限分断能力是息息相关的。三者之间的保护配合是否合理，直接关系到整流电源设备能否安全可靠地运行。

    整流器件的浪涌电流（或I2t）与快速熔断器的I2t都可以从其产品说明书中查到，但整流电源系统的短路电流值是查不到的。整流电源系统的短路电流值取决于整流系统的短路阻抗和电力系统的阻抗之和，而后者又与电力系统的运行状况和短路容量有关。因此，为了合理地选配整流器件和快速熔断器的有关参数、并使之满足系统保护的要求，必须计算整流设备的最大短路电流值。

    本文以我国一个单系列年产140kt电解铝的整流电源系统的实际数据为例，计算其桥臂短路（阀侧短路）电流值和直流侧短路电流值。整流电源系统的结构及有关电气参数，如图1所示。

图1  整 流 系 统 结 构 和 技 术 参 数

2  整流电源系统短路阻抗计算

2.1  调压变压器阻抗

2.1.1  电阻分量RTB

    1）根据文献[1]，按短路损耗（折算至整流变压器阀侧）计算，其电阻分量RTB为：

   RTB=△PTD/3(IZ2N)2

      =463.06×103/3(4×15102)2

      =0.042×10－3Ω=0.042mΩ

式中：△PTD——调压变压器短路损耗(额定容量下、油温75℃)；

      IZ2N——整流变压器阀侧额定电流，

      IZ2N=37000/(2×1.225)=15102A。

    2）按绕组实测直流电阻（折算至整流变压器阀侧）计算RTB。

    在油温为18℃的条件下，调压变压器一次侧（Y形连接）各相绕组直流电阻ROA、ROB和ROC的实测值为ROA=ROB=ROC=761mΩ；在油温为18℃、调压变压器二次侧有载开关在额定分接挡位（78挡）的条件下，调压变压器二次侧（△形连接）各相之间直流电阻Rab、Rbc和Rca的实测值为Rab=Rbc=Rca=92mΩ，调压变压器的电阻分量RTB为：

    RTB=ROA/(kTBkZB)2＋Rab/2kZB2

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

       =0.031mΩ

式中：kTB=3.627——调压变压器的电压变比（有载开关在额定分接挡位78挡的条件下）；

      kZB=57.76——整流变压器的电压变比。

    考虑到调压变压器实际运行状况，取RTB=0.042mΩ更符合实际情况。

2.1.2  电抗分量XTB

    1）按实测数据（折算至整流变压器阀侧）计算XTB

    有载开关在额定分接挡位（78挡）时，将调压变压器二次绕组短接，给一次绕组加励磁电压。测得调压变压器一次线电流I1=140.43A时，一次线电压UAB=12694V。忽略电阻的影响，则有：

    XTB≈ZTB=UAB/(I1kTB2kZB2)

       =12694/(×140.43×3.6272×57.762)

       =0.00119Ω=1.19mΩ

    2）按相对短路阻抗电压（折算至整流变压器阀侧）计算XTB

    调压变压器的相对短路阻抗电压UTD=11.46％，调压变压器的基准容量Sj=SN（额定容量）=2×54.99MVA，可以求得调压变压器的基准电抗Xj为：

    Xj=UZ22/Sj=10502/(2×54.99×106)

     =10.025×10－3Ω=10.025mΩ

式中：UZ2=1050V——整流变压器阀侧线电压。

    根据文献[1]，调压变压器的电抗分量XTB为：

    XTB=UTD·Xj=0.1146×10.025×10－3

      =0.00115Ω=1.15mΩ

    考虑到调压变压器实际运行状况，取XTB=1.19mΩ更符合实际情况。

2.2  整流变压器短路阻抗

2.2.1  电阻分量RZB

    1)根据实测数据计算

    在油温为18℃时，测得整流变压器一次侧Y形连接绕组两相之间的直流电阻RAB=163.4mΩ,折算至整流变压器阀侧时，可以求得整流变压器一次侧一相的等效直流电阻RZB1为：

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

    在油温为18℃时，测得整流变压器二次侧（即阀侧）绕组两相之间的直流电阻Rab=0.15mΩ,由此可以求得整流变压器阀侧一相的等效直流电阻RZB2为：

    RZB2=Rab/2=0.15/2=0.075mΩ

    整流变压器的电阻分量RZB为：

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

    2)按短路损耗计算

    根据文献[1]，按短路损耗，以求得整流变压器的电阻分量RZB为：

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

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

式中：ΔPZD——整流变压器短路损耗（额定容量下、油温75℃）;

       IZ2N——整流变压器阀侧额定电流。

    为了将整流变压器一次侧直流电阻RZB1和二次侧直流电阻RZB2区分开来，所以取RZB1=0.024mΩ、RZB2=0.075mΩ，取整流变压器的电阻分量RZB=0.0615mΩ。

2.2.2  电抗分量XZB

    1）按实测数据计算XZB

    将整流变压器二次绕组中的一组短接，给一次绕组加励磁电压。测得整流变压器一次线电流IZ1=531.1/2=265.55A时，其线电压UZAB=2025.4V。忽略电阻的影响，则有：

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

    2）按相对短路阻抗电压计算XZB

    整流变压器的相对短路阻抗电压UZD=6.36％，整流变压器的基准容量SZj=SZN(整流变压器额定容量)=54.99MVA，可以求得整流变压器的基准电抗XZj为：

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

    根据文献[1]，整流变压器的电抗分量XZB为：

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

    考虑到整流变压器实际运行状况，取XZB=1.32mΩ更符合实际情况。

2.3  自饱和电抗器阻抗

2.3.1  电阻分量RM

    自饱和电抗器的电阻分量RM按测得的实际损耗来计算，每台自饱和电抗器中含有12个自饱和电抗器单体。在额定电流下、油温为75℃时，实际测得一台自饱和电抗器的功率损耗ΔPM=38500W，这样就可以计算出一个自饱和电抗器单体电阻分量RM为：

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

式中：IM=10730A——自饱和电抗器电流。

2.3.2  电抗分量XM

[1] [2]  下一页

本文关键字：整流器  电工文摘，电工技术 - 电工文摘