限流電抗器在沿海鋼鐵企業配電室的應用分析

楊天亮

（首鋼京唐公司能源與環境部， 河北 唐山 063210）

某鋼鐵公司是自動化程度比較高的大型鋼鐵企業，對生產的連續性和安全性要求非常高。其電纜線路非常多，碼頭10 kV 配電室負載自身在運行過程中因門機電源線接采用地埋式接線箱、電纜露天地溝，門機上接線箱控制限位失效、卸船機滑環箱的碳刷翻轉功能故障及大雨淹沒都曾導致發生短路的故障并造成上級站所壓降，嚴重時壓降降至運行電壓30%左右，其晃電時間超過了80 ms。公司針對曾發生過故障采取一系列措施，逐步降低故障率，但由于氣候環境影響，仍無法從最大程度上降低故障影響。

1 項目背景

1.1 故障現象

碼頭門機、卸船機均是10 kV 高壓電纜供電，當碼頭10 kV 供電系統發生短路、接地等故障時，會造成上級110 kV 變電所10 kV 母線所帶其他作業部設備瞬時壓降（時間超過了80 ms=保護裝置動作時間+周波影響），公司各產線用變頻器的低電壓動作保護值一般是85%，變頻器在滿載的情況下，只要系統發生三相短路，10 ms 之內，變頻器的直流支撐電壓降低到70%，因現場的變頻器低電壓動作值為85%，所以系統一旦有較大幅度壓降，各產線變頻器已動作，將造成生產中斷，給公司主產線生產帶來巨大影響。

1.2 故障分析

如圖 1 所示，若 d1、d2、d3、d4 線路發生短路，由于中間沒有任何隔離，則短路支路母線電壓發生暫降，所有短路點本段10 kV 負荷同樣電壓會發生暫降，雖然繼電保護速斷整定時間是0 s，但真空斷路器的完全開斷時間長達60 ms 以上，60 ms 以上的時間，接觸器、繼電器、變頻器等負載低電壓穿越失敗，會造成大面積停電事故。

圖1 110 kV 變電所所帶碼頭一次系統

1.3 交流對比分析

方案是在10 kV 站所進線改造成限流裝置（見下頁圖2）形式鋪設或在進線開關柜前直接串聯限流電抗器兩種方式進行選擇，通過短路電流計算得出需增加電抗器大小，以確保發生短路故障時電抗器發揮作用確保故障切除前短時穩定殘壓在運行電壓90%以上。

母線柜內增加限流裝置，為開關柜內斷路器與電抗器并聯形式（見下頁圖3），正常運行時通過設備本身采集系統實時采集系統電流，當電流突變符合短路電流量時，通過快速識別裝置控制斷路器斷開，將電抗器全部投入系統，維持系統殘壓在90%。但綜合考慮零損耗深度限流裝置為斷路器開關柜與電抗器成套采購，開關柜工作原理為識別裝置控制系統控制永磁鐵線圈磁力達到控制開關位置變化。

如果采用增加限流裝置的方式，每套裝置開關柜在投資較大，并且需要在原進線開關柜之前或替換現有進線開關柜安裝；碼頭配電室原開關柜安裝已無空余位置，單獨建造建筑物放置此裝置需額外增加費用；進線處增加四處電纜接點和一套開關柜，并且控制線圈為一直帶電狀態、對永磁鐵及運行線圈維護缺乏經驗及有價值對標分析，并且給系統多提供了一個故障點，從系統安全運行分析不建議采取。而采取進線開關柜前串聯電抗器比原方式只增加兩處電纜接點，綜合項目施工時間、投資和故障點位分析，最終確定采取直接在進線開關柜前串聯電抗器形式進行改造。

圖2 限流裝置示意圖

2 改造方案

2.1 改造方案

在碼頭三處配電室進線各增加一組限流電抗器，共計三處配電室安裝6 組限流電抗器，電抗器安裝在配電室屋外電纜溝旁空地，電纜沿地面橋架敷設，橋架與原電纜溝連接，電抗器周邊設置安全護欄及屋頂，確保安全距離符合要求。原進線電纜截斷與電抗器連接，電抗器出線敷設進入配電室進線開關。

2.2 計算方案

圖3 110 kV 變電所系統增加電抗器示意圖

設基準容量、基準電壓、基準電流分別：Sjz=1 000 MVA，Ujz=10.5 kV，Ijz=54 987 A。

10 kV 電抗器在基準下電抗標幺值為Xk*。

例3 號碼頭變電所（一）電抗器出口三相短路最大電流Id3。

在碼頭變電所，10 kV 母線殘壓為10 kV×85%=8.5 kV。

將系統參數、電纜參數代入公式可計算得Xk*，詳細計算過程電抗選定后，運行損耗見表1。

表1 電抗器投入后運行損耗計算表

其中由于碼頭變電所負荷的性質，正常運行電流小，選擇此方式損耗較小，穩定性較高。

3 改造效果

電抗器作為電力系統中不可缺少的補償裝置，需求日益增多、應用廣泛。本文對某10 kV 配電室在故障情況下提高母線殘壓裝設電抗器的方案做了簡要的探討說明，確保一般故障情況下母線電壓在合格范圍之內。在運行實踐，門機設備發生10 kV 供電系統短路的情況下，可以將短路故障對上級110 kV變電所10 kv 供電系統的影響概率降低90%。但是電抗器本身故障時仍有可能影響上級供電，經運行統計和歷年事故對比，發生電抗器本身故障概率較低，因此此改造方案可取。