电解铝厂的供电系统短路保护方案研究

【摘 要】通过对电解铝厂供电系统的框架构成和设备使用情况的调查了解，在得到各个设备的供电保护阈值基础上设计出系统的供电保护方案，以供系统出现短路等故障时能及时对系统故障部位的电路进行隔离等继电保护，从而有效降低故障对系统的影响。本文主要通过发生不同故障情况采用不同保护方案分析其可行性。

【关键词】电解铝厂；供电系统；保护方案

1 引言

现代工业企业在正常生产运作中离不开供电系统的支持，由于工业企业的生产设备和用电类型众多，供电系统所接入的用电设备多种多样，并且这些设备的功率、负载不尽相同，使得在这种复杂的用电环境下，供电系统十分容易发生问题。供电系统与电网相比，故障种类的复杂和多样性导致修复起来需要耗费较大精力，因而，供电系统的保护方案的设计十分必要。目前大部分企业采用的是传统供电保护系统，也就是在系统中安装相关继电保护装置，在出现能威胁到正常供电运行的故障问题时，通过继电保护装置采取一系列措施，把用户设备和供电网络相隔开。但在隔开的范围和顺序是一项较为复杂的工程，并会因为这些问题使得继电保护不到位，将小范围的故障发展成大范围的故障，特别是当供电电网中还接有高压电时，产生的后果更加严重。为解决用电企业在出现供电故障时，更好地做好继电保护工作，对各用电设备性能进行统计分析，并采用先进手段，设计出科学的供电保护方案。

2 供电系统分析

2.1 电解铝厂供电系统结构

根据电解铝厂的布局特点，采用35kv供电网，在经过变压机房后，将其调为11kv输出电压。为对各设备采用短路保护措施，在设计时按照所接设备的功率和距离差异，进行分层处理，然后在每一层安装继电保护装置。因而即使供电系统发生故障，通过不同层面的继电保护装置能有效避免更大范围故障发生。从图1中可以看出，供电系统一共有个层级，每一层级间都有继电断路保护装置，在保护系统同时还能对输出电压进行调整，以适应不同用电需求。

图1供电系统总体结构图

在进行供电保护设计时，应依照供电线路供电端到用电设备间的供电电流阈值递减，继电保护电流阈值比下层短路电流更大规律，以在下层出现短路问题时能断开与其相连的电路，而不需要断开当前电路，进而有效减小影响范围，将继电保护从大到小进行延时。

2.2 电抗器的限流保护应用

由于在供电保护系统中采用的是电阻很小的铜电缆，尽管发热量小利于电力输送，但在出现短路故障时容易造成各层级间的电流差别不大，使得所有层级的继电保护装置都出现短路保护动作。另外供电端的继电保护阈值比用电设备最底层的最大短路电流要小，使得供电保护参数的设置有一定偏差，当最底层设备出现短路故障时，极有可能会把故障扩展到更大范围的保护装置，使其短路。尤其是在供电端的继电保护阈值设置过大的情况下，是断开隔离保护不够彻底，影响短路故障的隔离。

为解决这些常见问题，在进行供电保护系统的设置时，应在供电线路中装置电抗器，以方便对各层级的电流进行调节，使得在出现短路故障时有效对各层级的电流进行断路保护。通常各层级在触发供电保护的电流阈值比例是90%左右，装有电抗器的各层电流保护阈值一般上层比下层的最大断流电流要大，并能对下一层级的延时速断保护的触发条件变更为灵敏度系数，若为追求更高精度，需要对各供电设备加以模拟测试，对其功率消耗情况进行统计分析，依据各线路峰值电流，然后对断电保护条件进行修正。带有电抗器的供电保护系统的设计需要考虑到供电线缆的性能不同和电抗器的差异性，对电抗器进行选择，以适应各层级的供电特征。

3 短路保护方案的设计分析

（1）系统短路后瞬间断开的保护方案，在供电系统发生短路时，必须对发生短路的那一层级线路进行断路处理，以减少故障影响的扩大化，而触发断路保护动作的先决条件是在发生短路层级线路中产生最大的三相短路电流，其断开保护触发的条件如下列公式所示：

在公式中，Ip指的是触发断开保护动作的电流阈值，IG3指的是最大三相短路电流，A1指的是保护触发系数，EP指的是短路故障的保护区域，EA指的是该层级电路总区域，IGMAX指的是发生短路时的最大电流值，IGMIN指的是发生短路时的最小电流值。从公式可以看出，在第三个公式中所设定的保护区域只占到整个区域的1/5，明显不能满足隔离要求，因而需要对另外的区域采用限时断开保护措施。

（2）系统短路后限时断开的保护方案，在装有电抗器的供电系统中虽然可以解决供电线路的电流差别问题，但仍然会在供电系统中出现电路短路时无法在瞬间断开保护方案下完全隔离故障线路，因而需要采用限时断开保护方案对故障线路进行补充隔离。限时断开保护方案的触发电流阈值公式如下：

IX指的是触发电流阈值，IG2指的是最大两相短路电流，AS指的是保护触发系数，IWMAX指的是最大负荷电流。

（3）系统短路后全局分析的保护方案，根据电解铝厂以往经验判断，在供电系统的线路分布中，由于各个设备造成的短路事故发生概率远多于传输线路间发生的短路情况，因而在进行供电系统的保护设计时需要根据设备的分布对层级进行划分。全局保护方案的设计不仅需要顾及到故障点的瞬间断开保护，还应注意短路电流对各用电设施的影响，将各层级间的继电保护装置进行联动处理。另外在进行输入电源部位的电路保护装置的参数设置过程中需要将保护区域覆盖至全电解铝厂范围，即使会形成较长延时现象，也能有效减少因输入电源短路导致的故障发生率。而对于需要使用较多用电设备的厂内供电线路，应按照瞬间短路方案对电路保护装置的参数进行设置，以使在发生短路时能及时断开短路线路，减少烧毁用电设备的风险。

通常供电线缆的短路保护设计方案以瞬时断开保护为主，只有对于那些供电线路较长，超出瞬时断开保护范围的线路才使用限时断开保护方案加以补充。

4 结语

许多生产型企业都会遇到供电系统的短路问题，特别是对电力需求较为旺盛的企业，供电故障会导致企业生产效率的降低，并且电网维修恢复也较为困难。通过对电解铝厂的供电系统进行短路保护方案的设计分析，在供电系统出现短路故障时，能很好地对故障线路进行隔离，有效保护供电网络的安全性。