大型矿热炉供配电系统设计浅析

引言

在国家发展火法冶金镍铁生产的产业政策背景下，原南昌有色冶金设计研究院在 2007 年承接由外方提供的 RKEF 法冶炼工艺生产镍铁的转化设计任务。本文针对因工艺需要配置的 48MVA 矿热炉变压器的供配电方案设计、详细设计的各环节内容进行总结，并针对实际投运阶段的调整内容进行说明。镍铁矿热炉采用 16MVA×3 单相变压器配置，一次侧/二次侧接线方式均采用三角形接法。根据基本技术要求，矿热炉变压器采用 110 kV 直供式三绕组单相变压器。受限于熔炼厂房配置要求，3 台单相变压器采用“一字式”平行布置。

1方案

全厂 110/10 kV 总降为当地供电部门负责承建及管理，为保证矿热炉生产操作需求，在粗镍铁熔炼厂房区域设置现场 110 kV GIS 断路器操作机构室。110/10 kV 厂总降至现场侧 110 kVGIS 断路器操作机构室之间，以及现场侧 110 kVGIS 断路器出口至矿热炉变压器一次侧之间的供配电采用 110 kV 电缆连接。

2正常工作时电缆护层的感应电压计算[1]

《电力工程电缆设计规范》关于高压电缆感应电压的要求为：“4.1.9 电力电缆金属层必须直接接地。交流系统中三芯电缆的金属层，应在电缆线路两终端和接头等部位实施接地。4.1.10 交流单芯电力电缆的金属层上任一点非直接接地处的正常感应电势计算，宜符合本规范附录 F 的规定。电缆线路的正常感应电势最大值应满足下列规定：1.未采取能有效防止人员任意接触金属层的安全措施时，不得大于 50 V。

2.除上述情况外，不得大于 300 V。”110 kV 直供变压器输送线路工作负荷 48 MVA，工作额定电流 252 A，电缆设计选型为阻燃交联聚乙烯电力电缆（ZR-YJLW-Z 64/110 kV-1×240 mm2）。电缆沿管网水平敷设，单芯电缆相间中心距 300 mm，长度 0.6 km Ua=12[(j(-Xm+a)- y)·IB]=40.1 V/km；Ub=jXm·IB=33.4 V/km；Uc=12[(j(-Xm+a) - y·IB]=40.1 V/km

式中：Xm=(2 ωlnS/rm) ·10-4=0.133;a=(2ωln2)·10-4= 0.044；y=Xm+a=0.177。其中，rm为护层平均半径，取3.63 cm；S 为电缆中心间距，取 30 cm。

本工程电缆感应电压校核计算结果：UaLd= 24.0 V，UbLd=20.1 V，UcLd=24.0 V，满足设计规范要求。根据总降至现场侧 110 kV 电缆敷设距离较短、输送功率较小的特点，为提高运行安全可靠性，电缆护层接地方式设计采用三相单芯电缆护层一端直接接地，另一端经接地保护器接地，见图 1。

3 110 kV电缆敷设方案

电缆的敷设方式主要有：电缆隧道、电缆沟、排管、电缆桥架等。本工程所在地为盐碱滩涂，具有一定腐蚀性的地质，而且地下水位线比较高。考查当地其它工程已投入使用的电缆隧道、电缆沟现状，发现渗水、透水现象比较普遍，给供电安全及点检维修工作带来很多困难。综合上述几方面因素，从 110/10 kV总降至现场 GIS 断路器操作机构室之间输电线路采用沿厂区室外管网路径，利用电缆敷设层顶部区域的敷设方式。现场 110 kV GIS 断路器操作机构室至熔炼厂房变压器之间的电缆敷设，沿电缆竖井通道爬高至熔炼厂房 21.00 m 平台的 110 kV 电缆走廊，再以由上而下的吊挂方式至 10.00 m 平台的单相变压器一次侧接线柱处。3 台单相变压器之间的“角接”联络电缆敷设是利用 21.00 m 平台的 110 kV 电缆走廊内一层电缆支架敷设。

4 增加“星—三角”转换隔离开关

在矿热炉电极焙烧、烘炉升温阶段为能保证矿热炉能获得平稳渐进操作过程，需要变压器二次侧能提供更低的出口电压来满足生产要求。结合现场实际配置安装条件，对现有的矿热炉变压器一次侧接线增加“星-三角”转换操作机构，即在现场 GIS 断路器出口处增加“星-三角”转化隔离开关装置。变压器一次侧为“星形”接线运行方式时，变压器二次出口侧最低电压可以从 160 V 降至 92.37 V，为矿热炉升温提供更安全可靠的保障。在正常生产时，通过“星-三角”转换装置，将变压器一次侧调整为“三角形”接线运行方式，根据工艺生产要求通过有载调压开关进行操作控制，见图 2～3。

图 2 110kV 单线系统图

图 3 现场侧 GIS 操作机构室（剖面）

5 矿热炉变压器继电保护原则

本工程 110 kV 矿热炉变压器供配电系统上级站由当地供电系统部门负责实施，其主保护为距离保护，后备保护为电流三段式保护（供电系统提供初步设计内容）。由于本工程 110 kV 直供式变压器具有其特殊性，如按常规主变考虑继电主保护设置纵差保护是很难实施的，并且达不到纵差保护的完全功能。按照《电热设备电力装置设计规范》（GB50056-93）中“电炉变压器应装设故障短路的电流速断保护、变压器过负荷保护和变压器及其有载分接开关的瓦斯保护，并应符合下列规定：一、故障短路的电流速断保护，其整定值应躲开电炉的最大工作短路电流。二、变压器过负荷保护，应采用反时限特性的过电流继电器,保护的整定值应考虑电极的提升速度，宜在3 倍额定电流时 6 s 左右动作；对矿热炉的整定值应防止长时间不大的过负荷。矿热炉亦可采用带长延时的定时限过电流保护。三相电炉变压器过负荷保护应为三继电器式。三、变压器及其有载分接开关的瓦斯保护，重瓦斯动作于电炉变压器一次侧断路器跳闸，轻瓦斯动作于信号。”继电保护设置要求内容，并根据矿热炉负荷运行的特点，现场侧 110 kV GIS 断路器主保护设置为电流三段式保护加一条反时限过流曲线保护，以及常规开入量（变压器及有载调压开关的温度、瓦斯等）保护。

6 结束语

该大型矿热炉供配电系统投入使用后运行良好，本文通过对其中相关高压电缆敷设设计、现场 GIS断路器一次及二次设计内容的分析，总结出矿热炉供配电系统所具有的特点，供同行在设计中参考。