大容量高速開關組合保護裝置在鍋爐脫硫系統中的應用

孫東杰

（連云港堿廠，江蘇 連云港 222042）

1 鍋爐脫硫裝置電力設備運行狀況

連云港堿廠熱電車間屬于企業自備發、配電單位，配備兩臺發電機，通過兩臺主變與外電網連接，負責全廠電力供應，該廠于2014年10月投運脫硫裝置，大體系統接線及主要設備參數如下：1＃、2＃主變：額定容量Se＝8MVA、額定電壓35／6.3kV、阻抗電壓UI－II＝7.16% ，1＃發電機：額定容量Se＝6MW、額定電壓6.3kV、超瞬變電抗 Xd＝12.39%，2＃發電機：額定容量Se＝15MW、額定電壓6.3kV、超瞬變電抗Xd＝11.19%，限流電抗器：XKGKL－6.3－1000－8。脫硫裝置負載情況：6 kV斷路器開斷容量31.5kA、最大負載變壓器容量1 250kVA 1臺、最大負載電動機功率560kW、所帶電動機總容量2 360kW、基準容量Sj＝100 MVA。35kV系統：最大運行方式0.300 9、最小運行方式0.322 3，6kV電壓級的基準電流Ij＝100／／6.3＝9.16kA，主6kV母線至脫硫裝置母線電纜長度0.3km。發電機和變壓器的電抗標幺值歸算到基準值為：1＃、2＃主變：X2＝X3＝0.071 6×100／8＝0.895，1＃發電機 X6＝0.123 9×100／（6／0.80）＝1.652，2＃發電機 X5＝0.111 9×100／（15／0.80）＝0.596 8，限流電抗器的電抗標幺值歸算到基準值為 X4＝0.08×（6.3／1）×（100／6.32）＝0.733，電纜線路的電抗標幺值歸算到基準值為6kV，電力電纜線路每公里電抗值按照0.08Ω估算，X7＝0.08×0.3×（100／6.32）＝0.06。

圖1 一次系統圖

短路時的短路電流，阻抗等值電路見圖2。

圖2 短路阻抗圖

短路電流的計算：

標幺值計算：K1短路點短路電流為IK＝17.7 kA，預期短路電流峰值［3］為IMAX＝×17.7＝25 kA；K2短路點短路電流為IK＝23.6kA，預期短路電流峰值［3］為IMAX＝×23.6＝33.38kA。

2 系統存在的問題

脫硫Ⅰ段和脫硫Ⅱ段所帶負載較復雜，有變壓器、高壓電動機等。另主6kV帶有自備發電機，在脫硫Ⅰ段或脫硫Ⅱ發生短路時，發電機會跳閘，主6 kV母線電壓可能會解列。斷路器開斷故障時間長（至少60ms），在脫硫系統發生短路時，即使保護正確動作，從短路到切除故障至少80～100ms，發電機也會遭受短路電流的沖擊并跳閘。

3 采用SHK－FSR大容量高速開關組合保護裝置

3.1 SHK－FSR大容量高速開關組合保護裝置

SHK－FSR的一次系統由載流橋體FS、高壓限流熔斷器FU和氧化鋅非線性電阻FR構成，測量CT、脈沖變壓器、計算機測控箱構成SHK－FSR的測控系統。正常工作電流由FS承載，一旦發生短路，測控系統控制FS使之在數微秒內開斷，短路電流轉移到限流熔斷器FU中，FU快速熔斷限流，FU的弧壓使氧化鋅非線性電阻FR導通，限制過電壓并吸收剩余能量。SHK－FSR的動作及限流特性見圖3。

由于SHK－FSR動作快，在短路電流上升的起始階段就已被截流，可使最大短路沖擊電流及與系統熱穩定有關的I2t大大降低，使系統的動穩定和熱穩定裕度大大提高。

圖3 SHK－FSR的動作及限流特性

3.2 SHK－FSR解決方案

在脫硫Ⅰ段和脫硫Ⅱ段加裝大容量快速開關裝置SHK－FSR，其開斷電流可達到160kA，且操作簡單、可靠性高。一旦短路故障發生，SHK－FSR在1ms之內截流，3ms之內開斷，在電流上升的起始階段即將短路電流加以限制（少于2ms）。

系統中原脫硫I段和脫硫II段的真空斷路器與SHK－FSR串聯，真空斷路器只承擔正常負荷投切操作、過載保護。當系統短路時，短路電流由SHK－FSR瞬間開斷。

3.3 SHK－FSR的參數設計

3.3.1 脫硫I段SHK－FSR1的額定參數

1）額定電流Ie

按照最大負荷考慮，變壓器1 250kVA 1臺，電動機總容量2 360kW，負荷電流IN1＝（2 360÷0.8＋1 250）÷6.3÷1.732＝385A。考慮并留有30%的裕度，Ie≥1.3×IN1＝500A。SHK－FSR1的額定電流選為Ie＝1 000A。

2）SHK－FSR1的動作電流Idz

①動作電流的上限Idz－s

考慮SHK－FSR1動作電流的正誤差和真空斷路器開斷電流（31.5kA）的負誤差，SHK－FSR的動作電流Idz應小于真空斷路器額定開斷電流Ikd的70%：Idz－s≤0.7Ikd＝22kA。

② 動作電流的下限Idz－x

動作電流不小于廠用變壓器空載合閘時的激磁涌流：Idz－x≥1.5×12IN1＝2.1kA，動作電流不小于電動機的啟動電流：Idz－x≥7×270＝1.89kA。取動作電流Idz＝10kA。

3）SHK－FSR1的啟動電流

系統最大運行方式下，高壓側短路電流Ik流過SHK－FSR1時，裝置的運算時間不應小于160ms（式中IN1為廠變一次側額定電流），取ILimt＝5kA。

4）SHK－FSR1的電流變化率

大容量快速開關裝置的動作電流波形如圖3中的曲線4所示，動作電流曲線的表示為i＝iLimit對應的時間：di／dt＝×10×314×cos18×t，t＝arcsin（5／10）／18 ＝ 1.666ms，di／dt＝3.8A／ms，di／dt＝3.8kA／s。

5）SHK－FSR1的動作條件

SHK－FSR1的動作取決于電流啟動值iLimit（圖2中的曲線3）、電流變化率di／dt（圖3中的曲線5），只有在兩者同時超過整定值時，SHK－FSR1才會動作。

6）SHK－FSR1的截流時間和截止電流

7）FU的參數

熔斷器FU的額定電流：Ik＝17.7kA和ip＝11kA。

8）FR的參數

取FR殘壓Uc＝ 2.5×1.15×UΦN＝14.8kV以保證變壓器不受高電壓的沖擊。

3.3.2 脫硫Ⅱ段SHK－FSR2的額定參數

1）額定電流Ie

按照最大負荷考慮，變壓器1 250kVA 1臺，電動機總容量：2 360kW，負荷電流IN1＝（2 360÷0.8＋1 250）÷6.3÷1.732＝385A，考慮并留有30%的裕度，Ie≥1.3×IN1＝500A。SHK－FSR2的額定電流選為Ie＝1 000A。

2）SHK－FSR2的動作電流Idz

①動作電流的上限Idz－s

考慮SHK－FSR動作電流的正誤差和真空斷路器開斷電流（31.5kA）的負誤差，SHK－FSR的動作電流Idz應小于真空斷路器額定開斷電流Ikd的70%：Idz－s≤0.7Ikd＝22kA。

②動作電流的下限Idz－x

動作電流不小于廠用變壓器空載合閘時的激磁涌流Idz－x≥1.5×12IN1＝2.1kA，動作電流不小于電動機的啟動電流Idz－x≥7×270＝1.89kA。取動作電流Idz＝12kA。

3）SHK－FSR2的啟動電流

系統最大運行方式下，高壓側短路電流Ik流過SHK－FSR2時，裝置的運算時間不應小于160ms（式中IN1為廠變一次側額定電流），取ILimt＝6kA。iLimt＝ 6kA＝8.48kA。

4）SHK－FSR2的電流變化率

大容量快速開關裝置的動作電流波形如圖2中的曲線4所示，動作電流曲線的表示為，i＝iLimit對應的時間：di／dt＝×12×314×cos18×t，t＝arcsindi／dt＝4.6kA／s。

5）SHK－FSR2的動作條件：

6）SHK－FSR2的截流時間和截止電流

7）FU的參數

SHK－FSR2的動作取決于電流啟動值iLimit（圖3中的曲線3）、電流變化率di／dt（圖3中的曲線5），只有在兩者同時超過整定值時，SHK－FSR才會動作。

熔斷器FU的額定電流：Ik＝23.6kA和ip＝14.4kA。

8）FR的參數

取FR殘壓Uc＝2.5×1.15×UΦN＝14.8kV以保證變壓器不受高電壓的沖擊。

4 結 語

目前連云港堿廠在鍋爐脫硫電力系統中已采用大容量高速開關組合保護裝置，即便脫硫I段或脫硫Ⅱ段發生短路，大容量高速開關組合保護裝置可以實現在1ms之內截流，3ms之內開斷短路電流。在很大程度上避免因此而產生的發電機跳閘乃至主6kV母線解列這類重大電氣事故，提高企業內部電網安全穩定性，保證生產系統的連續穩定。

［1］ 王仁祥.電力新技術概論［M］.北京：中國電力出版社，2009

［2］ 傅知蘭.電力系統電氣設備選擇與實用計算［M］.北京：中國電力出版社，2004

［3］ 劉介才.工廠供電設計指導［M］.北京：機械工業出版社，2003