限流電抗器應(yīng)用中存在問題及解決對(duì)策

1 前言

在電力系統(tǒng)中，限流電抗器主要作用是當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，利用其電感特性，限制系統(tǒng)的短路電流，降低短路電流對(duì)系統(tǒng)的沖擊，同時(shí)降低斷路器選擇的額定開斷容量，節(jié)省投資費(fèi)用，同時(shí)提高系統(tǒng)的殘壓。但使用限流電抗器后，會(huì)存在很大的電能損耗，系統(tǒng)有大的波動(dòng)時(shí)如啟動(dòng)大容量電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生大的電壓降影響其它設(shè)備正常運(yùn)行，使發(fā)電機(jī)調(diào)壓困難影響系統(tǒng)穩(wěn)定。同時(shí)對(duì)周圍供電設(shè)備、建筑物以及通訊設(shè)施都會(huì)產(chǎn)生較大的影響，甚至造成設(shè)備異常。如何消除電抗器產(chǎn)生的影響，已經(jīng)成為電力系統(tǒng)正常運(yùn)行中所面臨的一個(gè)非常重要的問題。

2 問題的提出

恒通化工熱電廠現(xiàn)有三臺(tái)60MW發(fā)電機(jī)，三臺(tái)15MW發(fā)電機(jī)，總裝機(jī)容量22.5萬(wàn)KW,年發(fā)電量12.7億度。廠用電采用6KV供電，由發(fā)電機(jī)出口直接供給。為限制短路電流而串接限流電抗器給兩段6KV母線供電，6KV系統(tǒng)采用單母線分段式接線，廠用電系統(tǒng)主接線(以4#發(fā)變組為例)見圖1。

圖 1

在運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)以下問題

2.1 當(dāng)啟動(dòng)大容量電動(dòng)機(jī)如給水泵時(shí)，6kv母線電壓降低到80%左右影響其它電機(jī)及用戶正常使用。曾經(jīng)出現(xiàn)過兩臺(tái)給水泵同時(shí)啟動(dòng)時(shí)電抗器后備保護(hù)動(dòng)作跳閘的事故，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 當(dāng)電抗器運(yùn)行在額定電流70%左右時(shí)，電抗器線圈發(fā)熱嚴(yán)重，出現(xiàn)繞組過熱變色現(xiàn)象。

2.3 電抗器長(zhǎng)期串聯(lián)在系統(tǒng)中本身消耗巨大無(wú)功及有功，導(dǎo)致運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)

2.4 系統(tǒng)受到大擾動(dòng)時(shí)電壓波動(dòng)大，給發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)造成困難，影響系統(tǒng)穩(wěn)定

3 問題的解決對(duì)策

3.1 解決思路

為了解決這個(gè)問題，經(jīng)過技術(shù)咨詢和考察，發(fā)現(xiàn)利用國(guó)內(nèi)一種大容量高速開關(guān)裝置(簡(jiǎn)稱FSR裝置)可消除電抗器產(chǎn)生的影響。具體解決辦法是將FSR裝置并聯(lián)在電抗器兩端，如圖2。

圖 2

正常運(yùn)行時(shí)， 高速開關(guān)裝置(FSR)將電抗器短接，由于FSR阻抗約為0.1mΩ(其中直流電阻約20μΩ)，而電抗器阻抗一般在0.15～0.9Ω(即150 mΩ～900 mΩ)之間，所以正常運(yùn)行時(shí)電抗器被FSR短接而不起作用電流流經(jīng)高速開關(guān)裝置，當(dāng)廠用6KV母線及以下出現(xiàn)短路故障時(shí)，高速開關(guān)快速熔斷，將電抗器投入主回路中限制短路電流，而短路故障仍由故障處斷路器開斷。

3.2 FSR裝置的工作原理

該裝置主要由橋體FS、熔斷器FU、非線性電阻FR及測(cè)控單元等組成，簡(jiǎn)稱FSR。FS與FU阻抗相比為1∶2 000。因此正常運(yùn)行時(shí)工作電流經(jīng)FS流過。系統(tǒng)發(fā)生故障短路時(shí)，接到測(cè)控單元的分?jǐn)嗝詈螅現(xiàn)S在0.15 ms之內(nèi)爆破斷開，電流轉(zhuǎn)移至FU。FS斷開后全部短路電流轉(zhuǎn)移到FU，使FU在0.5 ms內(nèi)熔斷，并產(chǎn)生足夠的弧壓。FU斷開時(shí)產(chǎn)生的弧壓使其導(dǎo)通，吸收FU開斷后產(chǎn)生的電弧能量及電源注入的能量，使FU順利熄弧，并把斷開時(shí)的過電壓限制在允許的2.5倍相電壓范圍內(nèi)。檢測(cè)電流和電流變化率，當(dāng)電流幅值和電流變化率同時(shí)超過定值時(shí)，判斷為短路發(fā)生，并采用3個(gè)相同的獨(dú)立工作的測(cè)控部件，以 “三取二”動(dòng)作方式做出判斷，向FS發(fā)出分?jǐn)嘈盘?hào)。如圖3

圖3

橋體FS：因FS電阻為uΩ級(jí)，而熔斷器FU電阻為mΩ級(jí)，故正常時(shí)工作電流經(jīng)橋體流過，短路時(shí)接到測(cè)控單元的分?jǐn)嗝詈?，?.15ms之內(nèi)爆破斷開，電流轉(zhuǎn)移到熔斷器FU。

熔斷器FU：FS斷開后，全部短路電流轉(zhuǎn)移到熔斷器，在0.5ms以內(nèi)熔斷器熔斷，并產(chǎn)生足夠的弧壓。

非線性電阻FR：熔斷器熔斷時(shí)產(chǎn)生的弧壓使其導(dǎo)通，吸收電感中存在的磁能及電源注入的能量，使熔斷器順利熄弧，同時(shí)把開斷時(shí)的過電壓限制在2.5倍的額定相電壓之內(nèi)。

測(cè)控單元：檢測(cè)電流和電流變化率，當(dāng)電流幅值和電流變化率同時(shí)超過整定值時(shí)，判斷為短路發(fā)生，采用三個(gè)相同的獨(dú)立工作的CPU部件，以“三取二”表決方式判斷，向橋體發(fā)出分?jǐn)嗝睢?/p>

3.3 FSR裝置的特點(diǎn)

3.3.1載流量大：目前國(guó)內(nèi)真空斷路器額定電流只能做到4kA，而FSR裝置最大額定電流可做到12kA，完全可滿足目前電力系統(tǒng)的需要。

3.3.2開斷速度快：短路電流在1ms以內(nèi)被截流，3ms之內(nèi)衰減為零，故障被完全切除。與傳統(tǒng)的斷路器繼電保護(hù)方式相比，短路故障切除速度提高20倍以上。

3.3.3開斷過程中無(wú)危害性過電壓：氧化鋅良好的非線性特性，可將開斷過電壓限制在2.5倍的額定相電壓以內(nèi)。

3.3.4開斷容量可以足夠大：目前可做到240kA，足以滿足一般情況下切斷短路電流的需要。

3.3.5靈敏度更高：故障時(shí)電流變化率增加明顯，該裝置引入了電流變化率作判據(jù)，靈敏度更高。

3.4 FSR裝置動(dòng)作電流整定原則

3.4.1當(dāng)初在6kV母線進(jìn)線處設(shè)計(jì)限流電抗器，其目的是降低6kV系統(tǒng)三相短路電流。發(fā)生三相短路故障時(shí)，電抗器應(yīng)可靠投入，從而要求FSR裝置在短路電流上升的初始階段應(yīng)可靠斷開，故FSR動(dòng)作值應(yīng)取90%的三相短路電流值。

3.4.2其它負(fù)荷正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)躲過最大配電變壓器空載合閘電流，并取1.3倍的可靠系數(shù)。

3.4.3其它負(fù)荷正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)躲過最大電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，也取1.3倍的可靠系數(shù)。

綜合以上三種情況，選擇最大電流做為FSR裝置的動(dòng)作電流

3.5 應(yīng)用實(shí)踐

我廠4#機(jī)組采用電抗器與FSR裝置并聯(lián)運(yùn)行方案后，解決了電抗器產(chǎn)生的影響。

3.5.1由于正常運(yùn)行時(shí)，電抗器被短接無(wú)電流流過，解決了運(yùn)行中發(fā)熱嚴(yán)重的問題，系統(tǒng)受到大擾動(dòng)時(shí)電壓波動(dòng)大，發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)也十分方便。

3.5.2消除了電抗器產(chǎn)生的電壓降，提高了電壓質(zhì)量。

3.5.3啟動(dòng)大容量電動(dòng)機(jī)如給水泵時(shí)，6kv母線電壓降僅為5℅左右，保證了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.5.4消除了電抗器產(chǎn)生的電能損耗,節(jié)能效果顯著,年節(jié)約電費(fèi)12.4萬(wàn)元。

通過查閱電抗器手冊(cè)中電抗器額定容量、功率損耗等參數(shù)，以及我廠4#機(jī)組運(yùn)行實(shí)際。電抗器年功率損耗計(jì)算如下： A=3×⊿A×T=3×β2× (⊿P+⊿Q)×T

(⊿P=PK=12.196KW ⊿Q=0.02Se β=I /Ie Ie =2000A運(yùn)行電流I=1240A)

A=3×⊿A×T=3×β2×(⊿P+0.02Se)×T=3×0.622× (12.196+0.02×924×24×365=10102.032×30.676=309889.9336

每度電按0.4元計(jì)算，電抗器年損耗：

0.4×A =0.4×30.9889=12.3955萬(wàn)元/年

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，采用高速開關(guān)裝置與電抗器并聯(lián)是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的限流方案。不但解決了高壓斷路器選擇的經(jīng)濟(jì)性，而且從根本上避免了正常運(yùn)行中串入電抗器帶來的電壓降、電能損耗和漏磁場(chǎng)等問題，提高了廠用電系統(tǒng)的功率因數(shù)、電能質(zhì)量，有利于系統(tǒng)的安全節(jié)能運(yùn)行，是值得推廣的一種經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式。

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