0 引言

随着我国工业化进程加速推进，现代化工业园区建设增长迅速。园区内各种设备运行组合方式越来越多样化，配电系统的复杂程度逐步提高，系统短路水平的提升对系统可靠性提出了更高要求。一些已建成的工业园区因配电系统难以满足要求，需进行改造升级，其中相当一部分是针对系统短路电流水平超出电气设备开断能力进行改造。综合考虑可行性与经济性的要求，这类改造一般采用加装限流电抗器的方式^[1-2]。

本文以某工业园区配电系统限流改造为例，结合园区配电系统实际负荷及运行方式，利用ETAP软件建立仿真模型核算短路水平，分析计算结果，确定合理的限流装置安装位置，选择限流装置参数，并通过仿真计算加以验证^[3]，从而解决复杂配电系统多种运行方式下系统短路安全性问题；同时，选用深度限流电抗器装置降低电抗器电压损失^[4-5]，满足系统要求。

1 配电系统概况

某工业园区配电系统设2台容量为40 MVA的有载调压主变压器，高压侧由110 kV电网引接，低压侧接入10 kV中心配电段（以下简称中心配）。10 kV中心配采用双母线单分段接线，即10 kV中心配Ⅰ母、Ⅱ母和备用母线（以下简称备母），单分段母线（Ⅰ母、Ⅱ母）之间设联络断路器。配电系统配置2台发电机，额定电压10.5 kV。1号发电机组额定功率30 MW，接入10 kV中心配Ⅰ母和备母；2号发电机组额定功率4.5 MW，接入10 kV中心配Ⅱ母和备母。园区内共设置9段10 kV高压配电段（以下简称高配，1P—9P），各段均采用单母线分段接线，电源分别从10 kV中心配Ⅰ母、Ⅱ母和备母引接。配电系统电气主接线如图 1所示。

2 运行方式分析

根据电气主接线可知，该工业园区配电系统运行方式十分灵活。10 kV中心配Ⅰ母和Ⅱ母可分段或并列运行，也可以同时退出，由10 kV中心配备母投入运行。10 kV高配1P—9P段母线可分段或并列运行，其电源可由对应的10 kV中心配Ⅰ母或Ⅱ母供电，也可以由10 kV中心配备母供电。

灵活的运行方式对应的短路电流计算模型多种多样，且绝大多数模型并不能反映最大短路电流的情况。因此，需分析实际运行中有可能出现的10 kV母线短路电流最严重的运行方式。

根据现场调研，该配电系统10 kV中心配备母仅单独备用中心配Ⅰ母或Ⅱ母，10 kV高配母线1P—9P段Ⅰ母和Ⅱ母正常情况下均分段运行，两段母线所接电负荷大多互为备用，仅在切换负荷时存在其中1段并列运行的情况。据此分析得出短路电流最严重的运行方式为：2台主变压器和2台发电机同时运行，10 kV中心配Ⅰ母、Ⅱ母投入运行，且Ⅰ母与Ⅱ母间母联断路器闭合；10 kV各高配段全部投入运行，各高配段Ⅰ母、Ⅱ母分别由中心配Ⅰ母、Ⅱ母供电，在此条件下其中1段高配段执行负荷切换操作，母联断路器闭合，其余高配段母联断路器均处于断开状态。

3 短路电流计算

根据以上分析结果，得到改造前短路电流计算的系统图，如图 2所示。图中3P高配段母联断路器闭合（3P段为高配中负荷最大一段）。

3.1 短路电流计算

采用三相短路电流的实用计算方法，进行短路电流计算。10 kV中心配母联闭合，计算系统侧提供的短路电流I_S″：

(1)

(2)

(3)

式中：X_*d为变压器电抗标幺值；U_d为变压器短路电压百分比；S_j为基准容量，MVA；S_e为变压器额定容量，MVA；X_jS为转移电抗；X_*∑为电抗标幺值的和；I*_″S为短路电流0 s周期分量标幺值；I_j为基准电流，kA。

同理，得到1号、2号发电机提供的短路电流分别为I″_F1 =12.27 kA、I″_F2 =3.57 kA。高压电动机反馈电流值通过仿真计算得到。

3.2 短路电流ETAP仿真计算

根据图 2，搭建ETAP模型并进行短路电流计算，计算结果如表 1所示。

4 设备校验

根据配电系统已有设备参数，经短路电流计算，110 kV母线短路电流未超出设备短路水平；10 kV中心配母线、高配3P段（母联闭合）短路电流超出现有设备短路水平；其余各10 kV高配段设备短路水平满足要求^[6]。各电气设备选择校验结果如表 2所示。

5 解决方案 5.1 电抗器安装位置选择

对ETAP模型仿真得到的10 kV中心配母线短路电流计算结果分析，10 kV中心配Ⅰ母短路电流主要来源于主变压器侧、本段发电机、10 kV中心配Ⅱ母及本段高压电动机反馈；10 kV中心配Ⅱ母短路电流主要来源是主变压器侧、本段发电机、10 kV中心配Ⅰ母及本段高压电动机反馈，各短路点短路电流贡献值及占比如表 3所示。

通过表 3可以看出，系统侧提供给10 kV中心配母线的电流为16.329+16.386=32.715 kA，1号发电机提供的短路电流12.349 kA，2号发电机提供的短路电流3.666 kA，均与三相短路电流实用计算的结果相近，说明了该计算结果的准确性。

根据各短路点短路电流贡献情况，向短路点d2、d3提供短路电流较大占比的电源点为110 kV系统和10 kV中心配母联对侧母线，如在110 kV主变压器低压侧及中心配10 kVⅠ母和Ⅱ母之间分别加装限流装置能够起到良好的限流作用。

在10 kV高配母线，3P高配Ⅰ、Ⅱ段间母联断路器闭合条件下，短路电流超出现有设备短路水平，其短路电流主要由10 kV中心配提供，如果10 kV中心配母线短路电流水平得到抑制，也可以显著降低该段母线短路电流。因此对于本配电系统确定采用在110 kV主变压器低压侧及10 kV中心配Ⅰ、Ⅱ母线联络线之间加装限流电抗器的方案。

5.2 电抗器额定电流（I_ek）选择

电抗器几乎没有过负荷能力，所以主变压器低压侧回路电抗器应按照最大工作电流选择。系统中母线分段回路电抗器，应根据母线上切除1台最大容量发电机或供电变压器时，可能通过的最大电流选择。结合该工业园区配电系统主接线，电抗器额定电流应满足式（4）要求^[7]。

式中：I_ek为电抗器的额定电流，A；I_T为变压器的额定电流，A；S_T为变压器的额定容量，kVA；U_N为额定电压，kV；k为变压器过负荷系数，取值1.1。

由公式（4）计算可知，电抗器额定电流应不小于2540 A，按照GB/T 762—2002《标准电流等级》的规定，向上一级选择电抗器额定电流为3150 A。

5.3 电抗百分比（X_k）选择

根据公式（5）、（6），代入表 2、表 3数据，得到限流电抗器的电抗百分比大于23%。为保证限流效果，应留有一定裕度，具体数值可根据仿真计算结果确定。

(5)

(6)

式中：X_k为电抗器电抗百分比，%；U_j为基准电压，kV；I_j为基准电流，kA；X_ej为归算至所选电抗器之前的电抗标幺值；U_ek为电抗器的额定电压，kV；I_ek为电抗器的额定电流，kA；Ⅰ″_后为被电抗器限制后所要求的短路次暂态电流，kA；Ⅰ″_前为被电抗器限制前的短路次暂态电流，kA。

选定电抗器电抗百分比之后，还应满足电抗器的电压损失（ΔU）不超过5%。本次配电系统改造，电抗器电抗百分比较大，电压损失较大，难以满足该要求，因此需采用深度限流电抗器装置。正常工作状态下，工作电流流经旁路开关，根据公式（7），相当于降低电抗器通过电流I_g至接近0值的水平，可以避免电抗器产生压降；在事故状态下，采用快速开关投入电抗器，限制短路电流。

(7)

式中：I_g为电抗器正常通过电流，A；φ为负荷功率因数角。

同时，选择深度限流电抗器装置，正常工作时，工作电流流经旁路开关，相比于电抗器回路，旁路电阻值极小，接近于0，能有效降低电能损耗。

5.4 电抗器限流效果

根据上述结论，利用ETAP进行建模仿真计算，如图 3所示。为保证模型能够清晰地反映配电系统接线形式，省略部分仿真模型内容，电抗器X₁、X₂、X₃即为本方案加装的限流电抗器。

根据仿真计算结果，当X₁、X₂、X₃的电抗百分比为28%时，可以有效限制10 kV短路电流水平在设备允许限值下，并留有一定裕度。加装电抗器后，10 kV中心配母线短路电流水平在41.8 kA左右，10 kV高配母线短路电流水平在23.7 kA左右，均小于相应断路器开断水平，满足要求。短路电流计算结果如图 4所示，各母线电气设备校验结果如表 4所示。

5.5 电抗器布置方案

深度限流电抗器装置采用户外布置形式，每套装置占地面积约9 m× 6 m（长×宽）。其中，母联位置深度限流电抗器布置在原配电间外侧，因配电间内没有封闭母线布置空间，故该套装置通过绝缘全封闭管母线，经由配电间电缆夹层进行连接。主变压器低压侧深度限流电抗器靠近主变压器布置，T接于原主变压器低压侧封闭母线。为节省造价并考虑材料统一，T接段也采用绝缘全封闭管母线，通过转接箱与原封闭母线连接。

6 结论

综合上述分析，该工业园区配电系统限流改造采用在2台主变压器低压侧和10 kV中心配Ⅰ母和Ⅱ母之间分别加装额定电流为3150 A、电抗百分比为28%的电抗器，可将系统在极端运行方式下的短路水平限制在要求值以下，同时选择深度限流电抗器装置，可以避免电抗器产生压降，降低电能损耗，并能在事故状态下通过快速开关投入电抗器，限制短路电流，达到配电系统限流改造目标。