35kV線路加裝限流電抗器選型的簡要分析

山西北方銅業股份有限公司動能分公司 王國光

北方銅業熱電廠（現更名山西北方銅業運城動能分公司）是中條山集團公司自備電廠，兩臺4×12MW發電機組（供暖期間機組由于同時供汽和供熱，供電量只能達到7～10MW），由于小機組的煤耗過高、再加之環保各項指標的提高、促使發電成本的增加。

為減少虧損，熱電廠采取的措施為單機組運行或只供熱運行。對十七回直配出線總負荷達32MW～43MW的供電量基本上采取以網購為主。這樣的運行方式兩臺25MVA的變壓器正常運行顯得尤為重要。但近幾年兩臺主變在雷雨季節頻繁跳閘，甚至出現了燒毀變壓器的嚴重事故。跳閘及燒毀均系35kV系統兩相短路引起，短路電流超過變壓器中壓側所能承受的短路電流是導致變壓器損壞的根本要因。

1 限流電抗器串接方式及安裝地點的選擇及短路電流值的確定

1.1 限流電抗器串接方式及安裝地點位置的確定

由于35kV線路負荷不是很大、在6000KW左右，因此兩臺主變35kV中壓側（變壓器中壓側容量為12500kVA）平時只投運一臺，限流電抗器串接方式及安裝地點位置的確定方案如下。

方案一：從保護變壓器的角度來考慮，限流電抗最佳安裝位置應選在變壓器中壓出線側附近。這樣不但可以限制任意出線回路發生故障時產生的短路電流，還可以限制35kV變電室母刀、母線等設備發生短路故障時產生的短路電流。由于有兩個35kV出線出線間隔，需安裝兩組限流電抗器，分別串接在兩臺主變中壓側301、309出線架空線路上。該方案占地面積大、投資大。

方案二：由于35kV系統電源是一用一備，可將兩個35kV出線可共用一組限流電抗器，但需加裝投切裝置。該方案優點：與方案一一樣保護范圍大；投資較方案一少。缺點：由于該站為70年代所建站，無安裝空間。

方案三：該站35kV線路多年來只有一回306線路在投運狀態，并且線路距離總長20公里，途徑山地、丘嶺、村莊、田地、樹林，多年來均是該線路造成的短路事故，另一回310線路僅有1公里左右的距離且未投運。306線路出線處有足夠的空間且施工簡單，只需安裝1組限流電抗器，無需其它電氣裝置、投資少。

三個方案比較：方案一與方案二的優點是保護范圍大，缺點是占地面積大、投資大。由于該站為70年代所建站，無方案一和二所需要的空間，因此否決了方案一和方案二。方案三優點是安裝簡單，占地面積少、投資少，缺點是保護范圍小，只能限制該線路發生短路故障時的短路電流。35kV配電系統中所有回路的出線套管、母線及母線瓷瓶、母刀等設備未在保護范圍內。需加強該系統的春防、秋檢工作，以及該配電系統所有設備的日常維護保養工作，盡量杜絕短路事故的發生。

通過以上分析，限流電抗器串接在306架空線路上，距離306出線套管20米距離處。

1.2 短路電流限制值的確定

依據跳閘事故記錄數據得出短路電流為4kA時變壓器已損壞，同時咨詢廠家變壓器中壓35kV側所能承受的最大短路電流為多少，由于廠家不具備此類試驗條件無法得知，只好調出跳閘變壓器未損壞時故障數據，查近幾年的故障記錄短路電流為2kA時變壓器未被損壞。因此決定將3535kV側短路電流限制到2kA以內，可保證變壓器安全可靠運行。首先要計算變壓器中壓側三相短路電流為多大，方能確定限流電抗器的電抗率。

2 限流電抗器參數選型確定原則及限流電抗器參數的確定

306線路供電所的用戶為水泥廠、新水源頭泵站及3#～6#泵站。目前水泥廠現有負荷在2.5MW左右，加上源頭泵站、3#～6#泵站共5個站總負荷3.5MW左右，且泵站改造可能性很低，按總負荷6MW計算；熱電廠做為電源側，35kV側提供電壓在38kV以上；306線路從熱電廠到終端采用架空線為LGJ120/20，電源到水泥廠20km，水泥廠到源頭泵站11km；在負荷增加可能性不大情況下，在滿足容量及壓降情況下限制短路電流控制在2kA以下。

2.1 系統、發電機及變壓器參數的確定

系統容量按100MVA計算；35kV側負荷不大，正常運行時只有一臺主變35kV側投入運行，所以只考慮一臺變壓器。

表1 110kV系統、發電機等設備參數及電抗標么值

2.2 35kV母線短路電流計算結果[1]

地區電網和發電機并列標么值：0.4993×0.622/(0.4993+0.622)=0.277；到35kV母線總阻抗標么值：X＊=0.277-0.0092=0.2678≈0.268；地區電網支路的分布系數：0.277/0.4993=0.555；發電機支路的分布系數：0.277/0.622=0.445、0.268/0.555=0.483、0.268/0.445=0.602；地區電網提供35kV側短路電流：35kV側基準容量100MVA，基準電流為100/（37×1.732）＝1.56kA，I"=1.56/0.483=3.23kA。

發電機等值電抗換算到發電機容量為基準時標么值：Xc=0.602×18/100=0.11，根據汽輪發電機運算曲線（一）查得t=0秒時電流標么值9.2kA，換算到基準電壓37kV側發電機額定電流Irg=18/(1.732×37)=0.281kA。發電機提供短路電流：Ig"=9.2×0.281=2.58kA，35kV母線總的短路電流：3.23+2.58=5.81kA，參數計算標么值如圖1。

圖1 參數計算標么值

2.3 相關計算

在306線路短路故障情況下，將35kV母線短路電流限制為2kA以內，計算限流電抗器的電抗百分率、電壓損失等參數計算情況。

2.3.1 電抗器百分率計算

若將短路電流限制到2kA，總阻抗標么值X＊=100/（2×1.732×37）=0.7802，則電抗器標么值應為：X＊=0.7802-0.268=0.512。電抗器容量按變壓器35kV側額定容量計算，其額定電壓38.5kV，額定電流187A，按其80%運行，電抗器額定電流選187×80%=150A。但考慮到實際運行最大電流為100A，選用120A較為合理。由電抗器標么值公式X＊=X%UeIj/100IeUj，其中X%為電抗率、Ue為額定電壓(熱電廠出口電壓為38.5kV)、Uj為基準電壓為37kV，Ij基準電流為公式100/(1.732Uj)，其中Uj為基準電壓、37kV,得出Ij為1.56kA。

結論：電抗器的百分數應為X%=X×100IeUj/UeIj=(0.512×100×0.12×372×1.732)/（38.5×100）=3.78，選4%。

2.3.2 35kV母線短路電流計算

選用電抗器百分數為4%，額定電流為150A時計算情況：此時電抗器標么值X＊=X%UeIj/100IeUj,其中Ij=100/Uj（其基準容量以100MVA進行計算），則有X＊=X%Ue/1.732×IeUj2=(4×38.5×100)/(1.732×37)/(100×0.12×37)=0.541，則地區電網和發電機并列標么值0.4993×0.622/(0.4993+0.622)=0.277，到35kV母線總阻抗標么值X＊=0.277-0.0092+0.541=0.8088≈0.809，其地區電網支路的分布系數為0.277/0.4993=0.555，發電機支路的分布系數為0.277/0.622=0.445、0.809/0.555=1.458、0.809/0.445=1.818；地區電網提供短路電流：35kV基準容量100MVA，基準電流1.56kA，I＂=1.56/1.458=1.07kA。

發電機等值電抗換算到發電機容量為基準時標么值Xc=1.818×18/100=0.33，根據汽輪發電機運算曲線（一）查得t=0秒時電流標么值3.2kA，換算到電壓37kV側發電機額定電流Irg=18/(1.732×37)=0.281kA，發電機提供短路電流Ig＂=3.2×0.281=0.899kA。結論：35kV母線短路電流1.07+0.899=1.969。選擇額定電壓為38.5kV、額定電流為150A，電抗率為4%的電抗器可將該側的短路電流限制在2kA范圍內。

2.3.3 電壓損失百分數校驗(允許值在5%以內)

ΔUL(%)=XL(%)sinφImax/IN(%)≤5%，Imax通過最大電流：若只是水泥廠運行，實際電流最大45A，近三年來為該運行方式，若泵站（最大負荷按3500kVA計算）也投入運行則最大電流為100A。其中IN為電抗器額定電流，sinφ一般取0.6。目前運行情況下（即只帶水泥廠負荷）電壓損失計算：ΔUL(%)=4×45×0.6/120=0.9%＜5%、在范圍內。若泵站也投入運行，電壓損失計算：則ΔUL(%)=4×100×0.6/120=2%＜5%、在范圍內。

2.3.4 電壓壓降計算

在只帶水泥廠負荷情況下：到線路終端電壓降為：306線路為LGJ120/20，從電源到水泥廠按20km計算。依據《工業民用配電手冊》，當功率因數為0.85情況下，35kV線路電壓損失為0.043%/MW.km。則該水泥廠的壓降為ΔU＝0.043%×20×2.5×38.5=0.828kV，則到水泥廠終端壓降為：38.5×(1-0.9%)-0.828=37.3kV、滿足線路電壓要求。向水泥廠了解了一下，當其運行電流為40A時我廠306電壓為38.5kV，水泥廠實際運行進線電壓37.79kV、實際壓降710V，計算壓降為0.043%×20×2.3×38.5=761V。接近于計算值。

水泥廠和黃河水源同時啟動情況下（總負荷6MW）：到水泥廠電壓降為ΔU＝0.043%×20×6×38.5=1.99kV，水泥廠終端電壓為38.5×(1-2%)-1.99=35.7kV、滿足線路電壓要求。從水泥廠到源頭(泵站總負荷按3.5MW、長度11km計算)壓降為ΔU＝0.043%×11×3.5×38.5=0.64kV，源頭泵站終端電壓為35.7-0.64=35.06kV、完全滿足線路電壓要求。

結論：從上述計算情況來看，選額定電流為120A、電抗率為4%的電抗器能夠滿足電壓降的要求，能將短路電流限制到1.969kA，小于2kA，滿足了要求。

2.4 電抗器參數的選擇

限流電抗器電抗率選擇3%比4%損耗小點，若電抗率為3%時能短路電流要求。選擇電抗率為3%的電抗器會更加經濟。計算額定電流按120A，電抗率3%時能否滿足短路電流的要求，電抗器標么值X＊=X%UeIj/100IeUj=X%Ue/1.732×IeUj2=(3×38.5×100)/(1.732×37)/(100×0.12×37)=0.406，其地區電網和發電機的并列標么值0.4993×0.622/(0.4993+0.622)=0.277，其到35kV母線的總阻抗標么值X＊=0.277-0.0092+0.406=0.6738≈0.674，地區電網支路的分布系數為0.277/0.4993=0.555，發電機支路的分布系數：0.277/0.622=0.445、0.674/0.555=1.214、0.674/0.445=1.515。

地區電網提供短路電流：35kV側基準容量100MVA，其基準電流1為.56kA，I"=1.56/1.214=1.29kA。發電機等值電抗換算到發電機容量為基準時標么值：Xc=1.515×18/100=0.27，根據汽輪發電機運算曲線（一）查得t=0秒時，電流標么值4kA，換算到電壓37kV側發電機額定電流Irg=18/(1.732×37)=0.281kA。發電機提供短路電流Ig＂=4×0.281=1.124kA，35kV母線短路電流1.29+1.124=2.414kA。

結論：從上述計算情況來看，選額定電流為120A、電抗率3%的電抗器地短路電流限制為2.414kA，不在2kA要求之內，因此不能選擇電抗率為3%的電抗器。

2.5 電抗器參數的最終確定

從以上分析可得出：選用電額定壓38.5kV、額定電流120A、電抗率4%的限流電抗器最為合理。電抗器接線方式的選擇：電抗器要串接在已有架空線路上，因此需選用戶外裝置，三組疊式的，進出線端子夾角為180°的接線方式。