摘要：超高功率整流器短路電流的計算對于其保護設計是必不可少的。本文通過一個實際的電化學工程項目，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成本、便于集中治理其產生的環境污染與諧波污染、提高經濟效益和社會效益，現在電解鋁工程的設計年產量越來越高（如100kt,甚至更高）。因此，整流電源的功率隨之也越來越大。為了降低輸電系統的損耗、保證交流供電系統的穩定性，對于單系列年產100kt及以上的電解鋁工程，整流電源設備的網側多采用AC220kV高壓供電。于是，整流電源的供電系統短路容量也越來越大。

    對于超高功率的整流設備，閥側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的。三者之間的保護配合是否合理，直接關系到整流電源設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都可以從其產品說明書中查到，但整流電源系統的短路電流值是查不到的。整流電源系統的短路電流值取決于整流系統的短路阻抗和電力系統的阻抗之和，而后者又與電力系統的運行狀況和短路容量有關。因此，為了合理地選配整流器件和快速熔斷器的有關參數、并使之滿足系統保護的要求，必須計算整流設備的最大短路電流值。

    本文以我國一個單系列年產140kt電解鋁的整流電源系統的實際數據為例，計算其橋臂短路（閥側短路）電流值和直流側短路電流值。整流電源系統的結構及有關電氣參數，如圖1所示。

圖1  整 流 系 統 結 構 和 技 術 參 數

2  整流電源系統短路阻抗計算

2.1  調壓變壓器阻抗

2.1.1  電阻分量RTB

    1）根據文獻[1]，按短路損耗（折算至整流變壓器閥側）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——調壓變壓器短路損耗(額定容量下、油溫75℃)；

      IZ2N——整流變壓器閥側額定電流，

      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）計算RTB。

    在油溫為18℃的條件下，調壓變壓器一次側（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℃、調壓變壓器二次側有載開關在額定分接擋位（78擋）的條件下，調壓變壓器二次側（△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——調壓變壓器的電壓變比（有載開關在額定分接擋位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）按實測數據（折算至整流變壓器閥側）計算XTB

    有載開關在額定分接擋位（78擋）時，將調壓變壓器二次繞組短接，給一次繞組加勵磁電壓。測得調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）計算XTB

    調壓變壓器的相對短路阻抗電壓UTD=11.46％，調壓變壓器的基準容量Sj=SN（額定容量）=2×54.99MVA，可以求得調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——整流變壓器閥側線電壓。

    根據文獻[1]，調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)根據實測數據計算

    在油溫為18℃時，測得整流變壓器一次側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時，可以求得整流變壓器一次側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（即閥側）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——整流變壓器閥側額定電流。

    為了將整流變壓器一次側直流電阻RZB1和二次側直流電阻RZB2區分開來，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）按實測數據計算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

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

2.4  整流系統的短路阻抗分布圖

    根據2.1,2.2,2.3的計算值和實測值可做出整流系統的短路阻抗（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短路電流時，電網的短路阻抗可以忽略不計，它對計算結果的影響不大，只是計算值稍大一些。故圖2中未計入電網的短路阻抗。

3  直流側短路（穩態）電流

    一個整流電源機組的閥側繞組有四組，每組繞組對應一個三相橋式整流電路。直流側發生短路時，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 短 路 等 值 電 路

圖中：Ea=UZ2/=1050/=606V——整流變壓器閥側等值相電壓[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（穩態）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）的穩態有效值IbD1[1]

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

4.2  故障橋臂穩態短路電流（周期分量）的最大值IDm[1]

     IDm=IbD1=×186=263kA

5  實際試驗數據與計算數據比較

5．1  實際試驗數據

    在運行現場不可能在整流機組處于額定運行狀態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。具體測試條件和數據如下：

    1)測試條件調壓變壓器的有載開關位于最低的第1擋，整流變壓器閥側空載交流電壓為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)實測數據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。此時整流機組閥側的相電壓Ua1為：

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

5．2  計算數據

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

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

    而調壓變壓器有載開關位于第78擋（額定分接擋）時，調壓變壓器的阻抗ZTB=1.19mΩ，機組總阻抗Zg=2.0415mΩ；在第1擋時，調壓變壓器的阻抗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)計算數據調壓變壓器有載開關位于最低的第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  結語

    在調壓變壓器有載開關位于最低的第1擋的情況下，進行直流側短路試驗，實測穩態直流短路電流為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備中參照這一計算方法確定短路電流，作為保護系統設計的依據。