在國家發展火法冶金鎳鐵生產的產業政策背景下，原南昌有色冶金設計研究院在 2007 年承接由外方提供的 RKEF 法冶煉工藝生產鎳鐵的轉化設計任務。本文針對因工藝需要配置的 48MVA 礦熱爐變壓器的供配電方案設計、詳細設計的各環節內容進行總結，並針對實際投運階段的調整內容進行說明。鎳鐵礦熱爐採用 16MVA×3 單相變壓器配置，一次側/二次側接線方式均採用三角形接法。根據基本技術要求，礦熱爐變壓器採用 110 kV 直供式三繞組單相變壓器。受限於熔鍊廠房配置要求，3 臺單相變壓器採用“一字式”平行佈置。
1、方案
全廠 110/10 kV 總降為當地供電部門負責承建及管理，為保證礦熱爐生產操作需求，在粗鎳鐵熔鍊廠房區域設置現場 110 kV GIS 斷路器操作機構室。110/10 kV 廠總降至現場側 110 kVGIS 斷路器操作機構室之間，以及現場側 110 kVGIS 斷路器出口至礦熱爐變壓器一次側之間的供配電採用 110 kV 電纜連接。
2、正常工作時電纜護層的感應電壓計算[1]——樹上鳥教育電氣設計
《電力工程電纜設計規範》關於高壓電纜感應電壓的要求為：“4.1.9 電力電纜金屬層必須直接接地。交流系統中三芯電纜的金屬層，應在電纜線路兩終端和接頭等部位實施接地。4.1.10 交流單芯電力電纜的金屬層上任一點非直接接地處的正常感應電勢計算，宜符合本規範附錄 F 的規定。電纜線路的正常感應電勢最大值應滿足下列規定：1.未採取能有效防止人員任意接觸金屬層的安全措施時，不得大於 50 V。
2.除上述情況外，不得大於 300 V。”110 kV 直供變壓器輸送線路工作負荷 48 MVA，工作額定電流 252 A，電纜設計選型為阻燃交聯聚乙烯電力電纜（ZR-YJLW-Z 64/110 kV-1×240 mm2）。電纜沿管網水平敷設，單芯電纜相間中心距 300 mm，長度 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為護層平均半徑，取3.63 cm；S 為電纜中心間距，取 30 cm。
本工程電纜感應電壓校核計算結果：UaLd= 24.0 V，UbLd=20.1 V，UcLd=24.0 V，滿足設計規範要求。根據總降至現場側 110 kV 電纜敷設距離較短、輸送功率較小的特點，為提高運行安全可靠性，電纜護層接地方式設計採用三相單芯電纜護層一端直接接地，另一端經接地保護器接地，見圖 1。
3、110 kV電纜敷設方案——樹上鳥教育電氣設計
電纜的敷設方式主要有：電纜隧道、電纜溝、排管、電纜橋架等。本工程所在地為鹽鹼灘塗，具有一定腐蝕性的地質，而且地下水位線比較高。考查當地其它工程已投入使用的電纜隧道、電纜溝現狀，發現滲水、透水現象比較普遍，給供電安全及點檢維修工作帶來很多困難。綜合上述幾方面因素，從 110/10 kV總降至現場 GIS 斷路器操作機構室之間輸電線路採用沿廠區室外管網路徑，利用電纜敷設層頂部區域的敷設方式。現場 110 kV GIS 斷路器操作機構室至熔鍊廠房變壓器之間的電纜敷設，沿電纜豎井通道爬高至熔鍊廠房 21.00 m 平臺的 110 kV 電纜走廊，再以由上而下的吊掛方式至 10.00 m 平臺的單相變壓器一次側接線柱處。3 臺單相變壓器之間的“角接”聯絡電纜敷設是利用 21.00 m 平臺的 110 kV 電纜走廊內一層電纜支架敷設。
4、增加“星—三角”轉換隔離開關
在礦熱爐電極焙燒、烘爐升溫階段為能保證礦熱爐能獲得平穩漸進操作過程，需要變壓器二次側能提供更低的出口電壓來滿足生產要求。結合現場實際配置安裝條件，對現有的礦熱爐變壓器一次側接線增加“星-三角”轉換操作機構，即在現場 GIS 斷路器出口處增加“星-三角”轉化隔離開關裝置。變壓器一次側為“星形”接線運行方式時，變壓器二次出口側最低電壓可以從 160 V 降至 92.37 V，為礦熱爐升溫提供更安全可靠的保障。在正常生產時，通過“星-三角”轉換裝置，將變壓器一次側調整為“三角形”接線運行方式，根據工藝生產要求通過有載調壓開關進行操作控制，見圖 2～3。
圖 2 110kV 單線系統圖
圖 3 現場側 GIS 操作機構室（剖面）
5、礦熱爐變壓器繼電保護原則
本工程 110 kV 礦熱爐變壓器供配電系統上級站由當地供電系統部門負責實施，其主保護為距離保護，後備保護為電流三段式保護（供電系統提供初步設計內容）。由於本工程 110 kV 直供式變壓器具有其特殊性，如按常規主變考慮繼電主保護設置縱差保護是很難實施的，並且達不到縱差保護的完全功能。按照《電熱設備電力裝置設計規範》（GB50056-93）中“電爐變壓器應裝設故障短路的電流速斷保護、變壓器過負荷保護和變壓器及其有載分接開關的瓦斯保護，並應符合下列規定：一、故障短路的電流速斷保護，其整定值應躲開電爐的最大工作短路電流。二、變壓器過負荷保護，應採用反時限特性的過電流繼電器,保護的整定值應考慮電極的提升速度，宜在3 倍額定電流時 6 s 左右動作；對礦熱爐的整定值應防止長時間不大的過負荷。礦熱爐亦可採用帶長延時的定時限過電流保護。三相電爐變壓器過負荷保護應為三繼電器式。三、變壓器及其有載分接開關的瓦斯保護，重瓦斯動作於電爐變壓器一次側斷路器跳閘，輕瓦斯動作於信號。”繼電保護設置要求內容，並根據礦熱爐負荷運行的特點，現場側 110 kV GIS 斷路器主保護設置為電流三段式保護加一條反時限過流曲線保護，以及常規開入量（變壓器及有載調壓開關的溫度、瓦斯等）保護。
6、小結
該大型礦熱爐供配電系統投入使用後運行良好，本文通過對其中相關高壓電纜敷設設計、現場 GIS斷路器一次及二次設計內容的分析，總結出礦熱爐供配電系統所具有的特點，供同行在設計中參考。
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