电子行业科创中心系列白皮书⑤-电子工业供配电系统电气设备容量选择和优化

电子工业供配电系统电气设备容量选择和优化摘要随着电子行业的迅速发展，电子工厂供配电系统趋于庞大和复杂，无形中增加了设计难度。本文将结合ETAP数字孪生平台对电子工厂供配电系统的开关设备进行选择，应用遵循IIEC60909标准的ETAP软件完成IIEC短路计算、开关容量选择，应用ETAP不仅实现供配电系统的电气可视化，同时准确和优化了电气设备容量提提高了工程师的工作质量和效率。关于作者高志勇ETAP软件高级工程师。主要负责ETAP产品解决方案技术支持、电力系统仿真、咨询服务等内容；2014年加入ETAP中国团队，负责产品支持和工程咨询服务；2015年参与美国OTI集团公司ETAP讲师培训，获得ETAP授权讲师证书；2020年参与亚洲电能质量产业联盟，获得电能质量工程师证书；2020年参与专业技术人员职称评审，获取电力中级工程师职称证书；目前代表ETAP中国公司完成了30+工程咨询服务项目，业务涉及电力系统、数据中心、电子工厂、石油化工、海洋钻井平台、船舶等行业领域；01Liflsn 1.引言。随着世界电子信息产业的快速发展，作为电子信息产业基础的电子行业的发展也异常迅速，电子工业是未来的朝阳产业，其市场需求巨大，电子工业的飞速发展决定了未来电子工厂供配电系统规模，我们将面对无比庞大且复杂的电子工厂供配电系统。短路计算一直都是解决一系列技术问题所不可缺少的基本计算，目的是选择和校验电气设备，避免在短路电流作用下损坏电气设备。面对电子工厂供配电系统的庞大和复杂性，使用传统的手段完成IEC标准短路计算是一件非常复杂和繁琐的事情，且容易出错，此时将不能准确的选择设备容量，当设备容量选择过大，不仅增加前期投资，也会增加运行成本，当设备容量选择过小，容易烧坏设备，影响安全稳定生产。本文将使用的短路计算标准是IEC60909，国内转化标准为GB/T15544《三相交流系统短路电流计算》。IEC60909方法目前在国际上应用广泛，国内已在独资、合资项目及对外工程设计中使用也在积极推广。IEC60909标准在电压修正、发电机阻抗修正、发电机—变压器单元阻抗修正等方面有了改进，对个电路元件阻抗的计算公式均考虑电阻，并且对于线路阻抗采用复数计算，使计算结果更加贴近实际。 2.IEC短路计算软件ETAP介绍。ETAPPS（ElectricalTransientAnalysisProgram）是由美国Opera-tionTechnology,Inc（简称OTI公司）开发的。OTI公司拥有一支由被公认为国际性专家的工程师和科学家组成的强大的研发队伍，有超过50年综合经验和知识，依托其雄厚的实力、专业的技术人才和全球领先的工程和软件技术，为发电、配电和工业电力电气系统的规划、设计、分析、计算、运行、模拟提供全面的分析平台和优质成熟的解决方案，是全球市场上提供电力系统分析，设计，仿真，模拟，运行，控制，优化和自动化解决方案的公认的领导者。02LifIsnETAP软件可基于数字孪生建模，代替人工完成IEC标准短路计算，使用ETAP的短路计算软件可以确定短路电流值，结合多种运行工况，考虑最严重情况下的短路计算结果，完成设备容量选择和优化，使用ETAP短路计算工具进行自动化的多维计算和结果分析程序可以为您节省数小时的乏味的手算和摆脱版式设计的麻烦。 3.ETAP系统建模。3.1工程案列简介图1为某工厂电气系统图，真实的电子工厂系统图结构庞大且复杂，此处为方便介绍短路计算，特将图形简化，发电机额定电压6.6kV,系统侧电压35kV，一台35/10/10kV分裂变压器，一台两台35/10kV主变，两台10/0.4kV降压变压器,三台2000kW中压电动机和一台2000kW同步电动机,详细的参数请查看表1。03LifIsn电气设备参数等效电网电压Un=35kV；短路容量MVAsc=500MVA；X/R=10发电机功率Pn=4MW;电压Un=10kV;功率因数PF=80%;Xd”=25%;Xd=99%;Ra=1%变压器分裂变压器Xfmr1容量Sn=10/5/5MVA;变比K=35/10/10主变降压变Xfmr3容量Sn=15MVA;变比K=35/10kV；Uz%=10%配电变压器Xfmr2容量Sn=0.5MVA;变v；Uz%=4%配电变压器Xfmr4容量Sn=1.25MVA;变比K=10/0.4kV；Uz%=5%异步电动机M1Pe=2000kW;PF=80%;LRC=450%异步电动机M22xPe=2000kW;PF=80%;LRC=450%Pe=2000kW;PF=85%;LRC=500%3.2ETAP电气设备建模方法ETAP数字孪生建模平台是实现电气图纸的数字化映射，它能够帮助您利用无限制的母线和元件快速而简单的搭建三相及单相的交直流系统单线图，涉及计算所需的电气设备参数统一集成在元件的编辑器中，除了常规手动录入参数到元件编辑器，ETAP工程数据库提供完整的V&V验证的厂家数据，以满足元件参数的快速录入，大大提高的建模的速度和效率。043.2.1等效电网IEC短路计算中，等效电网为带有阻抗的电压源模型，需要录入到等效电网的参数包括额定电压Un、短路容量MVAsc或短路电流kAsc、抗阻比X/R，ETAP软件可根据输入的参数自动计算短路电阻和电抗的标幺值。3.2.2双绕组变压器IEC短路计算中，双绕组变压器相当于一个阻抗，需要录入到双绕组变压器的参数包括一次侧电压U1、二次侧电压U2、额定容量Sn、冷却方式、变压器类型、短路电压百分数Uz%、抗阻比X/R。ETAP可根据录入的变压器参数自动计算电阻RT和XT。05LifIsn关于X/R—变压器电抗和电阻比。这个参数从变压器铭牌中找不到，需要用户自己确定。由于变压器电阻相对于变压器绕组电抗来说很小（RTZT可以把RT忽略，则有XT=ZT，即有 ==*3Ir2TPkrT—变压器短路损耗XT—变压器等效电抗Ir2T—变压器额定电流RT—变压器等效电阻06LifIsn另外，IEC短路计算会对变压器阻抗进行修正，对于带和不带有载分接开关的两绕组变压器，除了根据等式评估的阻抗外，还应引入因子KT短路阻抗修正的公式如下：ZTK=KTZT,其中ZT=RT+jXTZTK—修正后变压器短路阻抗;ZT—修正前变压器短路阻抗;(2)(3)KT—串联变压器的修正系数;xT—短路电抗,对三绕组变压器,把xT改为xAB,xBC,xAC。3.2.3分裂变压器IEC短路计算中，分裂变压器可使用三绕组变压器进行等效建模，ETAP三绕组变压器模型需要输入的参数有三侧的额定电压、额定容量Sn、三绕组两两间的短路电压百分数Uz%和抗阻比X/R。07LifIsn分裂系数Kf和穿越电抗X1－23是分裂变压器的两个重要技术参数。分裂变压器的等值电抗X1、X2和X3与分裂系数正如公式：X1=(1-Kf/4)X1－23X2＝X3＝(Kf/2)X1－23Kf和穿越电抗X1－23之间的关系(4)(5)绕组1、2和3之间的等值电抗X12、X13和X23的计算公式分别如下列公(6)(7)(8)3.2.3.1分裂系数Kf的物理意义在一般情况下，分裂系数Kf的数值在0～4之间，由分裂成两部分的低压绕组的相对位置来决定。分裂系数Kf的具体数值则根据变压器正常运行状态及事故状态的要求来选取。当Kf＝4时，绕组A和B之间磁的联系最弱，X1＝0、X2＝X3＝2X1－23，犹如两台独立的双绕组变压器一般，绕组2的负荷变化，只会引起绕阻2本身的端电压的变化，而对绕组3的端电压没有任何影响，反之亦然。当Kf＝0时绕组2和3之间的联系最紧密，X1＝X1－23、X2＝X3＝0，犹如一台普通双绕组变压器一般，绕组2的端电压就是绕组3的端电压。一般情况下，0＜Kf＜4，绕组2和3之间有一定的磁的联系。例如，选取Kf＝3.5。3.2.3.2分裂变压器的技术参数分裂变压器的技术参数包括：1.半穿越电抗X1－22.穿越电抗X1－233.分裂系数Kf半穿越电抗X1－2或者X1－3是指高压绕组与一个低压绕组间的穿越电抗。穿越电抗X1－23是指高压绕组与总的低压绕组之间的穿越电抗，X1－23＝X12/(1＋Kf/4)。08LifIsn分裂系数Kf是指分裂绕组之间的分裂电抗与穿越电抗的比值，即Kf＝X2-3/X1－23。对于一台分裂变压器，制造商提供的技术参数是分裂系数Kf和穿越电抗X1－23，或者是分裂系数Kf和半穿越电抗X1－2。3.2.4发电机IEC短路建模中，ETAP发电机模型需要录入的参数有额定容量Sn、额定电压Un、额定功率因数PF、次暂态电抗Xd”、抗阻比X/R值。09LifIsn系统发生短路时，发电机总有一个暂态过程，尤其是近发电机端短路时，这个暂态过程不应忽视，因此短路瞬间发电机有较大的次暂态电势。IEC标准规定发电机短路计算模型和等效电网相似，为一个电压源和一个阻抗串联。串联的阻抗经过修正后的计算公式如下所示：ZGK=KGZG=KG(RG+jX″d)(8)G=*(9)LifIsnKG校正系数；ZGK发电机校正阻抗；ZG发电机超瞬态阻抗；d发电机超瞬态电抗；UrG发电机额定电压;φrG发电机功率因数角。IEC标准中对发电机的内部电阻均作了不同程度的默认,有下面的关系：RG=0.05X″d,UrG>1kV,SrG≥100MVA1kV,SrG≥100MVARG发电机内阻；SrG发电机额定容量。上述系数考虑了直流分量的衰减,周期分量在短路后半周内的衰减,不考虑绕组温度的影响。同步电机用超瞬态阻抗,异步电动机用堵转电流算出的阻抗。在计算稳态短路电流时,才需考虑同步电机同步电抗和其励磁顶值。3.2.5电缆线路IEC短路建模中，ETAP电缆模型录入参数的方式有两种，分别为用户定义参数和数据库快速获取参数。用户定义参数需要录入的参数有长度L、每相导体数#C/P、单位长度下的正序电阻R1、正序电抗X1、正序电纳Y1，零序电阻R0、零序电抗X0、零序电纳Y0。数据库快速获取参数需要录入长度L、每相导体数#C/P,其他参数可从设备库获取。电缆编辑器可以输入两个导体温度限制（以摄氏度为单位）以调整不同研究的正序和零序电阻（R1和R0）。第一个限制是最低工作温度；第二个限制是最高工作温度，ETAP对短路计算使用最保守的最小温度限制。ETAP使用以下公式进行温度修正：3.2.6感应电动机IEC短路计算中，ETAP感应电动机录入参数包括额定电压Un、额定容量Pe、功率因数PF、效率Eff、堵转电流倍数LRC、抗阻比X/R。ETAP感应电动机模型被考虑为一个电压源和一个阻抗串联，串联的阻抗为电动机的自身阻抗，计算公式如下：ZM=*(12)LR/IrM—电动机起动电流倍数；rM 电动机满载电流； 电动机额定电压；LiflsLiflsn 4.IEC短路计算。在IEC短路计算中，故障位置的用一个等效电压源取代。应用电压系数C来调整等效电压源的值，以进行最小和最大电流计算。IEC短路计算考虑了故障位置到同步发电机的电气距离。对于远离发电机的故障，考虑短路电流的稳态值等于初始对称短路电流，并且只有直流分量衰减到零。但是对于发电机附近的故障，会计算交流和直流分量的衰减。等效抗阻比X/R决定了两个分量的衰减率，建议发电机和电动机附近故障使用不同的值。网格和非网格的计算也不同。系数k用于乘以初始短路电流以获得峰值短路电流ip，也考虑不同的系统配置和方法来计算X/R比。4.1计算方法短路电流由两部分组成：一部分短路电流随时间按正弦规律变化,称为周期分量；另一部分因回路中存在电感而引起的自感电流,称为非周期分量。其中需要考虑的有冲击电流ip，初始短路电流周期分量有效值I″k,遮断短路电流周期分量(断路器开断电流)Ib,稳态短路电流Ik,短路非周期(直流)分量idc等。初始对称短路电流(I″k)使用以下公式计算：(13)ZK—故障位置的等值阻抗；峰值短路电流(ip)使用以下公式计算：(14)k—故障位置的系统抗阻比X/R的公式计算；IEC标准提供了三种计算k因子的方法：方法A-统一比率R/X。k因子的值由网络所有支路的最小比率的R/X确定。仅包含在对应于短路位置的标称电压下总共80%电流的支路。方法B-短路位置的R/X比。k因子的值是通过将k因子乘以安全因子1.15来确定的，该值涵盖了使用复阻抗的网络缩减中获得R/X比后导致的不准确性。方法C-等效频率。使用频率变化变的R/X计算k因子的值。R/X在较低的频率下计算，然后乘以频率相关的倍增因子。对称短路开断电流(Ib)计算：对于远离发电机的故障，对称短路开断电流(Ib)等于初始对称短路电流。Ib=I″k对于靠近发电机的故障，Ib是通过组合来自每个单独的贡献获得的。不同类型电机的Ib使用以下公式计算：(15)}(15)其中，µ和q是说明AC衰减的因素它们是最小延时之比和电机初始短路电流与其额定电流之比以及异步电机每对极有功功率的函数。IEC标准允许您在计算中包括或排除异步电机的交流衰减效应。短路电流计算的直流分量(Idc)：根据初始对称短路电流和系统X/R比计算保护装置最小延迟时间的短路电流直流分量：(16)Liflsnf—系统频率；tmin—相关保护装置的最小延迟时间；X/R—是故障母线上的阻抗比。4.2IEC电压c因子IEC短路计算中考虑c因子的引入。三相短路电流的大小不但取决于网络拓扑结构,还与短路前系统的运行工况相关。系统的运行状态多且复杂,很难凭借经验确定出能够导致最大或最小短路电流的极端情况，人们对于最大短路电流与最小短路电流之间的其他短路电流并不关心。引入c因子的原因主要体现以下几个方面：1.设计阶段，负荷是不确定的；2.不同的时间和地点，电压是变化的；3.变压器的抽头是变化的；4.发电机和电动机均具有次暂态特性。IEC短路计算标准规定了不同电压等级下的c因子，详细见表格2。最小电压c因子最大电压c因子114.3IEC设备容量计算IEC短路计算中会对设备容量进行计算，计算过程如下公式：中压断路器（MVCB设备的不对称开断电流和直流分量。,,低压断路器（LVCB）、熔断器（Fuse设备的不对称开断电流。(19)IbSymm—设备开断电流；tmin—相最小延迟时间；中压断路器（MVCB）、低压断路器（LVCB）的热效应电流计算。2(20)2(21)TK—短路电流持续时间。m、n—短路电流直流分量和交流分量的热效应，计算时可以不算出它们具体值。4.4ETAP软件IEC短路计算ETAP可以同时计算多个短路点的短路电流，根据设备选择需要设置了6个短路点：35kV高压侧母线UtilityBus、厂用10kV母线SWBRDA、Bus、BusC,厂用0.4kV母线LVBus、LVBus2。根据表2的电压调整系数c。ETAP能计算各支路的短路电流计算结果，计算结果如表3。LifIsnETAP的仿真计算结果可显示计算结果，结果请参考下图8取短路发生到故障切除的最小间隔时间（继电器动作时间+断路器动作时间）为0.04S，短路后0.04S的短路电流对称分量和直流分量来选择断路器的开断能力。根据短路电流峰值校验开关动稳定，以短路电流热效应值校验断路器热稳定，ETAP可智能化选择和优化断路器，选择结果如图9、10。三相故障电流母线短路概要报告设备设备能力（kA）短路电流（kA）名称BusBBusCLVBusLVBus2SWVRDAUtilityBusKV名称类型making峰值Ib对称Ib不对称IdcI“kipib对称ib不对称idcIk10.00010.00010.00010.00010.0000.4000.4000.4000.4000.4000.40010.00010.00010.00010.00010.00035.00035.00035.000BusBCB31BusCCB32FuseC1LVBusCB9LVCB11LVBus2CB16FuseMainSWBRDACBA1FuseC3CB21CB22UtilityBusCB1CB2SwtchRack CBSwtchRackCBFuseSwtchBoardCBCBBusCBFuseSwtchGearCBFuseCBCBOpenAirCBCB80.00063.00080.00063.000187.000187.00088.200105.00080.00063.00063.00063.00065.00065.00065.00025.00028.91814.53525.00028.91814.53563.00083.83985.00085.50142.00042.06450.00050.076120.000159.6937.611 7.611 6.645 6.645 6.64533.89533.89533.89520.20720.20720.20710.81810.81810.81810.81810.818 9.2629.2629.26219.56419.56416.67716.67716.67771.23671.23671.23633.40933.40933.40927.36327.36327.36327.36327.36322.92322.92322.9237.3896.6456.64533.89533.89520.20720.20710.18210.59510.18210.1829.1449.1448.7897.3979.77033.97133.97120.20720.60111.78915.94711.78911.7899.9419.9417.4054.7856.5793.2517.16333.3252.2642.26419.6890.0134.0108.5175.94211.9185.9425.9428.8093.9003.90025.00050.00025.00025.00025.00025.00028.91866.53928.91828.91828.91828.91814.53514.53514.53514.53514.535ip计算使用方法CIb不包括非故障感应电机的衰减Ik是最大稳太故障电流Idc基于来自方法C的X/R和上面指定的Ib短路概要报告设备能力三