旁路限流電抗器在發(fā)供電系統(tǒng)中的應用

呂 欣，伯天江，呂 俊

引言

隨著冶金工業(yè)的高速發(fā)展，大中型冶金企業(yè)推行節(jié)能減排、循環(huán)經(jīng)濟、降本增效的經(jīng)營理念，投運了富余煤氣鍋爐發(fā)電、余熱蒸汽發(fā)電和TRT煤氣壓力發(fā)電等余熱余能再利用發(fā)電項目，為形成規(guī)模效益、提高產(chǎn)能而新擴建燒結(jié)主抽風機、高爐電動鼓風機等項目，發(fā)電機并網(wǎng)運行和大功率電動機短路反饋增大系統(tǒng)短路電流，造成既有斷路器短路開斷能力不足，不能有效開斷故障短路電流，導致保護裝置越級跳閘甚至故障處斷路器爆炸的隱患事故發(fā)生，發(fā)供電系統(tǒng)存在很大的安全隱患，應用旁路限流電抗器可較好地解決這個問題。

1 某企業(yè)發(fā)供電系統(tǒng)概況

1.1 發(fā)供電結(jié)構(gòu)

如圖1所示，正常工況下，66 kV工鐵一線帶1#主變及6 kVⅠ段母線運行，66 kV工鐵二線帶2#主變及6 kVⅡ段母線運行，為避免形成勵磁環(huán)網(wǎng)，66 kV和6 kVⅠ段與Ⅱ段母線均解列運行，130 t鍋爐發(fā)電站25 MW發(fā)電機組并網(wǎng)于66/6 kV總降變電站2#主變壓器所帶6 kVⅡ段母線，為防止25 MW發(fā)電機組有功功率倒送地區(qū)電網(wǎng)，造成功率穿越運行，將180平燒結(jié)工序主抽風機7400 kW電動機、1#高爐鼓風機7100 kW電動機和 2#高爐鼓風機10500 kW電動機等大功率穩(wěn)定用電負荷倒閘至2#主變壓器6 kVⅡ段母線供電，增加2#主變壓器用電負荷。

2.2 主要設(shè)備參數(shù)

（1）130 t鍋爐發(fā)電站25 MW發(fā)電機組參數(shù)：

圖1 發(fā)供電結(jié)構(gòu)示意圖

型號：QFW-25-2；

額定功率：25 MW；

功率因數(shù)：0.8；

額定電壓：6.3 kV；

額定電流：2863.92 A；

同步電抗（Xd）：1.8955；

同步次暫態(tài)電抗（X″d）：0.1094。

（2）66/6 kV總降變電站1#和2#變壓器參數(shù)：型號：SZ11-31500/66；

一次主分接：66 kV/275.6 A；

二次：6.6 kV/2755.6 A；

容量：31500 kVA；

阻抗電壓：9.09%。

（3）66/6 kV總降變電站6 kV饋出線斷路器參數(shù)：

產(chǎn)品型號：ZN65A-EP；

額定電壓：12 kV；

額定短路開斷電流：40 kA；

額定電流：630 A。

（4）180平燒結(jié)主抽風機7400 kW電動機參數(shù)：

型號：TD-7400-6；

額定功率：7400 kW；

功率因數(shù)：0.9；

額定電壓：6.3 kV；

額定電流：753.53 A。

（5）1#高爐鼓風機7100 kW電動機參數(shù)：

型號：YGF800-4；

額定功率：7100 kW；

功率因數(shù)：0.8；

額定電壓：6.3 kV；

額定電流：813.35 A。

（6）2#高爐鼓風機10500 kW電動機參數(shù)：

型號：YGF1000-4；

額定功率：10500 kW；

功率因數(shù)：0.8；

額定電壓：6.3 kV；

額定電流：1202.85 A。

1.3 短路電流

采用標幺值法計算，暫不考慮大功率電動機反饋短路電流，6 kVⅡ段母線在不同運行方式下的短路電流計算結(jié)果如表1。

表1 6 kVⅡ段母線短路電流值

2 問題分析

6 kVⅡ段母線在1#和2#主變并列運行時，三相短路電流達63.52 kA，1#和2#主變解列運行時，三相短路電流達42.23 kA，造成既有額定短路開斷電流為40 kA的斷路器開斷能力明顯不足，不能有效切斷故障短路電流，導致保護裝置越級跳閘甚至故障處斷路器爆炸，發(fā)供電系統(tǒng)存在著很大的安全隱患。

3 旁路限流電抗器的應用

3.1 解決方案

66/6 kV總降變電站6 kVⅡ段母線各饋出間隔斷路器依據(jù)系統(tǒng)短路電流校驗短路電流開斷電流既不經(jīng)濟又很困難，斷路器的斷開容量越大價格越高，如采用高阻抗降壓變壓器或主變壓器出口直接串入限流電抗器來降低系統(tǒng)短路電流會引發(fā)諸多問題：

（1）高阻抗主變或電抗器在運行中會造成6 kVⅡ段母線電壓降且伴隨用電負荷的調(diào)整而波動，難以保證供電質(zhì)量，影響軋鋼工序生產(chǎn)。

（2）受高阻抗主變或電抗器串入影響，啟動大功率電動機造成6 kVⅡ段母線電壓降加劇，影響軋鋼直流系統(tǒng)、變頻器調(diào)速設(shè)備等其他負荷的運行，嚴重時大功率電動機無法啟動。

（3）供電系統(tǒng)中長期串入高阻抗主變或電抗器，工作電流通過設(shè)備本體時負載損耗較大。

（4）在供電系統(tǒng)中直接串聯(lián)高阻抗主變或電抗器，相關(guān)的繼電保護整定值需重新計算設(shè)定、調(diào)試并校驗靈敏度。

利用FSR大容量高速開關(guān)裝置與限流電抗器并聯(lián)后再串聯(lián)在主變壓器二次出口處，即采用旁路限流電抗器可解決上述問題。

3.2 旁路限流電抗器

FSR大容量高速開關(guān)裝置主要作用是有效快速分斷故障短路電流且在其未上升到峰值之前完成。FSR裝置主要由FS載流橋體、FU高壓限流熔斷器和FR非線性電阻并聯(lián)組成分斷系統(tǒng)，由測控單元采集數(shù)據(jù)、判斷和發(fā)出執(zhí)行指令，如圖2。

圖2 旁路限流電抗器示意圖

FSR裝置元件功能及工作原理：

（1）FS載流橋體：FS載流橋體電阻以μΩ級計算，而FU高壓限流熔斷器電阻以mΩ級計算，即相當于FS載流橋體短接了FU高壓限流熔斷器，F(xiàn)S載流橋體承載工作電流流過，發(fā)生短路時測控單元發(fā)出分斷指令至FSR裝置，在0.15 ms內(nèi)FS載流橋體爆破分斷，轉(zhuǎn)移至FU高壓限流熔斷器承載短路電流。

（2）FU高壓限流熔斷器：FS載流橋體爆破分斷后，在0.5 ms內(nèi)轉(zhuǎn)移至FU高壓限流熔斷器承載的短路電流熔斷熔斷器且產(chǎn)生大量弧壓。

（3）FR非線性電阻：FU高壓限流熔斷器熔斷時產(chǎn)生大量弧壓觸發(fā)FR電阻導通，F(xiàn)U高壓限流熔斷器利用吸收電感中存在的磁能和電源注入的能量進行熄弧，并限制分斷過電壓小于2.5倍的額定相電壓。

（4）測控單元：通過對電流幅值和電流變化率的檢測采集，一旦電流幅值和電流變化率同時達到動作整定值時，視為發(fā)生短路故障，測控單元獨立的CPU判斷事件是否成立，判斷邏輯采用三組中兩組動作則視為事件發(fā)生，事件成立后立即向FS載流橋體發(fā)出分斷命令。

投入旁路限流電抗器運行時，串入主回路的限流電抗器被FSR裝置短接，F(xiàn)SR裝置承載工作電流流過，一旦系統(tǒng)短路故障，F(xiàn)SR裝置快速分斷，轉(zhuǎn)移至限流電抗器承載短路電流，進而有效限制系統(tǒng)短路電流，確保故障處斷路器具備分斷短路電流的能力且執(zhí)行故障跳閘。由此可見，旁路限流電抗器不僅解決高阻抗降壓變壓器或主變壓器出口直接串入限流電抗器來降低系統(tǒng)短路電流所引發(fā)諸多問題，又能實現(xiàn)電抗器限制短路故障電流的功能。

4 應用效果

在2#主變壓器二次出口處安裝旁路限流電抗器，保留原設(shè)計QF1斷路器，QF1斷路器作為旁路限流電抗器退出運行時直通的主變二次出口開關(guān)，新安裝QF2和QF3斷路器作為旁路限流電抗器投退的兩側(cè)操作開關(guān)，如圖3。

接入電抗百分值為12%的旁路限流電抗器后，可有效解決本文3.1節(jié)中講述的問題，6 kVⅡ段母線在1#和2#主變并列運行時，三相短路電流為36.68 kA，1#和2#主變解列運行時，三相短路電流為32.44 kA，6 kVⅡ段母線短路電流可滿足既有額定短路開斷電流為40 kA的斷路器開斷能力要求，采用標幺值法計算，暫不考慮大功率電動機反饋短路電流，6 kVⅡ段母線在不同運行方式下的短路電流計算結(jié)果如表2。

圖3 串聯(lián)旁路限流電抗器的發(fā)供電結(jié)構(gòu)示意圖

表2 串聯(lián)旁路限流電抗器后6 kVⅡ段母線短路電流值

5 結(jié)語

采用旁路限流電抗器串入總降變電站主變壓器二次出口的方式，旁路帶有大容量、分斷快速功能的FSR開關(guān)裝置。利用被并聯(lián)短接的限流電抗器串聯(lián)在主回路中增加系統(tǒng)阻抗來限制短路電流，確保故障處斷路器具備分斷短路電流的能力且執(zhí)行故障跳閘，從而既可防止短路電流沖擊系統(tǒng)，又可降低配置斷路器額定短路開斷電流的選擇，還可減少串聯(lián)限流電抗器的負載損耗，節(jié)約建設(shè)投資和運行費用。特別是在新建發(fā)供電系統(tǒng)時，適當增加限流電抗器阻抗百分值，選擇額定短路開斷電流較小的斷路器便可滿足系統(tǒng)短路條件，取得降低工程造價的良好效果。

[1]謝彬，陸曉蕓，李曉松.220 kV變電站主變低壓側(cè)加裝限流電抗器限制短路電流的探討[J].云南電力技術(shù)，207，35（5）：48-49.

[2]李軍，屈青雯，王鈞，宋小霞，李戰(zhàn)鋒.限流電抗器的應用分析[J].陜西電力，2010，38（8）：81-83.

[3]李會軍，李娜，郭會強，荊琳.大容量高速開關(guān)裝置（FSR）的原理分析及應用探討[J].全國冶金熱電專業(yè)年會，2010.

[4]王德明，葉生文，陳標，姚伯富.大容量高速開關(guān)裝置FSR在供電系統(tǒng)中的應用[J].中國電業(yè)（技術(shù)版），2012（8）.

[5]陳延鏢.鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊（上、下）[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1996.