解決35 kV 母線短路電流超限的方法

薛葵

(云南省電力設計院，昆明 650051)

0 前言

電網建設的增速也日趨加大，原有建成項目的設備面臨開斷能力不足，不能滿足目前或遠景年短路水平要求的現狀，而許多設備本身還未達到其使用年限，更換勢必造成投資的增加和浪費，而且改造周期內會造成大面積停電等問題，以下通過一個具體項目的解決方案來進行較為深入的探討。

1 應用實例

某自備電廠現有規模為:一期額定功率為30 MW 的發電機組2 臺和二期額定功率為60 MW 的發電機組1 臺。本期擴建工程在充分利用一期和二期工程建設的公用設施和預留場地的基礎上，新建額定容量為1×45 MW 的發電機組。發電廠輸送電力全部自用。配套建設本期額定容量為45 MW 的背壓汽輪發電機組，實現煤、電、化資源的綜合利用。

圖1 電氣一次主接線

自備電廠現有規模為:一期額定功率為30 MW 的發電機組2 臺和二期額定功率為60 MW 的發電機組1 臺。本期擴建工程在充分利用一期和二期工程建設的公用設施和預留場地的基礎上，新建額定容量為1×45 MW 的發電機組。

35 kV 系統為雙母線接線方式，兩回35 kV架空進線正常運行方式為一回運行、一回備用，在發電機故障情況下切除相應負荷，在負荷故障情況下切除相應發電機組。各發電機端經限流電抗器向廠用電負荷供電。

2 35 kV 系統存在問題

1)35 kV 架空配網系統側短路阻抗標幺值為0.070 282 (基準容量100 MVA)，基準容量取SB=100 MVA，基準電壓取運行電壓平均值36.75/6.3 kV，計算結果可以看出:若遠景年 (2025年)該熱電廠僅投運一期1、2#容量為30 MW 的發電機，35 kV 母線短路電流已達26.56 kA，而一、二期現有35 kV 設備短路容量僅為25 kA，因此，當遠景年近區電網結構加強、規劃新建電源投產以后，35 kV 母線故障情況下短路電流最大值將超標［2］，造成如下危害，若不采用其他的接入系統方案或限流措施，將無法滿足自備電廠和生產負荷的安全穩定運行要求:電源與負荷不匹配，需要經常調整運行和生產方式，存在嚴重的生產和運行安全隱患。

2)當供電局的35 kV 架空電網發生短路時，靠四臺發電機的支撐，35 kV 母線電壓只能維持在16.261 kV，只有額定值的44.25 %。由此可見，由于供電局的35 kV 架空電網短路引起的南磷尋甸“外網晃電”事故應當是很頻繁的［1，3］。

3 電廠35 kV 系統解決方案

3.1 串聯限流電抗器方案

分別取限流電抗器的電抗值為1.583 9 Ω、5.009 7 Ω 和5.970 6 Ω，35 kV 系統三相短路計算結果列于表1。

表1 串聯限流電抗器后尋甸35 kV 母線三相短路計算結果

兼顧熱電廠和變電站兩側斷路器的開斷壓力，以及架空電網短路時對南磷尋甸35 kV 母線殘壓的影響，選擇限流電抗值5.970 6 Ω 較為合適。由于限流電抗器正常運行時串聯在線路中，不可避免地產生巨大的電能損耗。按照35 kV 架空進線最大傳輸功率15 MVA 考慮，電抗器的額定電流應為300 A，則限流電抗率為8.864%。

3.2 限流電抗器并聯爆炸開關

如圖2 所示，大容量快速開關主要由載流橋體、限流熔斷器、氧化鋅組件和測控單元構成［4］。可以在短路故障發生后的1 ms 左右實現截流，3 ms 之內完成首開相的開斷。

圖2 大容量快速開關

正常運行時，工作電流經載流橋體流過，發生短路時測控單元在0.3～0.4 ms 之內迅速作出判斷并發出動作指令，載流橋體在0.15 ms 之內分斷;限流熔斷器在流經大的短路電流后在0.5 ms 左右熔斷，將短路電流強行截斷;在限流熔斷器熔斷時的電弧電壓作用下氧化鋅組件立即導通并稱在續流，隨著能量的被消耗電流逐漸衰減到零。并聯大容量快速開關后，正常運行時限流電抗器被短接，不存在電能損耗問題，發生短路時最快在3 ms 將電抗器串入實現限流。但大容量快速開關在每次動作后都必須更換一次性的元件載流橋體和限流熔斷器，不僅維護工作量大，運行費用高，還存在更換不及時的問題。

3.3 其他限流方案

也有采用高阻抗變壓器來限制短路電流的，與串聯限流電抗器相比沒有什么大的區別，同樣存在電能損耗和電壓降落的問題。

近年由限流電抗器與電容器串聯構成的串聯諧振型限流方案也完成了掛網試驗。正常運行時電容器抵消了限流電抗器的感抗，不會產生無功損耗。一旦線路發生短路故障，則通過放電間隙、電子開關和旁路開關將補償電容短接，由限流電抗器限制短路電流。但當流過負荷電流時仍然會在限流電抗器的電阻上產生有功損耗。盡管這種有功損耗比起未加補償電容前要小得多，但仍然不可忽視。更重要的是，這種限流方案技術復雜、體積龐大、造價高而且可靠性并不理想。

帶有鐵芯的具有直流偏磁繞組的電抗器也在研制過程中。正常運行時電抗器受直流偏磁的影響工作在低阻抗區，一旦發生短路立即撤出偏磁直流，電抗器進入高阻抗區限制短路電流。與串聯諧振限流方案相比，盡管取消了電子開關，但又增加了整流設備和控制設備，同樣存在技術復雜、體積龐大、造價高以及有功損耗等問題。而且這種直流偏磁式限流電抗器，若用于高壓、超高壓電網還有很多技術問題需要研究。

超導限流方案是近年來國內外比較熱門的課題［5］。正常運行時超導體限流器工作在臨界參數(電流、溫度或磁通)以下的超導狀態，一旦發生短路時超導體立即進入失超狀態，呈現高阻抗限制短路電流。這種超導限流方案盡管目前成為國內外的熱門話題，但由于體積龐大、技術復雜，價格貴，可靠性有待于進一步考驗。

4 優化設計

4.1 無損耗深度限流裝置

4.1.1 結構原理

無損耗深度限流裝置主要由快速換流器、深度限流器和快速識別器等組成。正常運行時，快速換流器處于合閘位置，將深度限流器短接，限流裝置工作在“無損耗”狀態。一旦發生短路時，快速識別器在2 ms 之內快速作出判斷并向快速換流器發出動作指令，快速換流器在接到動作指令后的5 ms 左右快速分閘，將深度限流器串入實現深度限流。當故障切除后，快速識別器立即控制換流器合閘，限流裝置恢復到無損耗運行狀態。

4.1.2 主要特點

速度快、無損耗、壽命長。該裝置可通過數據接口、光纖、光電轉換器將現地的A、B、C 三相限流裝置的實時數據與電廠控制室內的監控后臺實現遠程數據交換。

4.1.3 關鍵技術

“快速動作”和“快速判斷”是無損耗深度限流裝置的兩項關鍵技術。

短路故障的快速識別技術如圖2 所示。為能實現對短路故障的快速識別，需要將通常的有效值判據I≥Izd 改為電流瞬時值與電流變化率同時越線作為判據。按照快速識別器所需要的最短運算時間t0與最大短路電流曲線iK 交點處的縱坐標作為瞬時值整定值iL，iL 與izd 交點處的斜率作為電流變化率整定值。如果在瞬時值條件滿足之前，至少連續10 點滿足電流變化率的條件，則判定為電流有限制超過整定值，發出動作指令。

利用短路故障快速識別技術開發的用于大容量快速開關裝置中的測控單元，用該項技術開發的無損耗深度限流裝置的快速識別器，可以在2 ms 之內作出判斷并發出動作指令，為深度限流器的快速投入創造了條件。

圖2 短路故障的快速識別技術

主要由分合閘線圈、渦流盤、儲能電容、充電電源等組成。接通工作電源后，儲能電容很快完成充電。需要分閘時，分閘控制開關接通，分閘儲能電容向分閘線圈放電，產生強度很高的脈沖電流;脈沖電流在分閘線圈產生的脈沖磁場穿過渦流盤并在渦流盤中感應出渦流;渦流磁場與脈沖磁場之間的排斥力推動渦流盤向下運動，同時帶動動觸頭完成分閘。合閘過程正好相反，合閘線圈的渦流磁場推動渦流盤向上運動并帶動動觸頭完成合閘。

利用快速渦流驅動技術開發的快速真空斷路器，合閘時間可以做到10 ms 左右，分閘時間可以控制在5 ms 以內。利用快速真空斷路器作為無損耗深度限流裝置的快速換流器，為深度限流器的快速投入奠定了基礎。

圖3 快速渦流驅動技術原理圖

5 結束語

針對部分老廠改造項目，采用無損耗深度限流裝置是一個既能節省投資，又能大大減少施工周期，而且滿足安全運行要求的較好方案之一。解決了遠景年一、二、三期發電機投運后帶來的短路電流超標問題，使發電機接入系統方案達到最優，采用無損耗深度限流裝置進行優化設計后發電機組接入系統方案更加經濟合理，提高35 kV系統承受外網“晃電”的能力。

［1］水利電力部西北電力設計院.電力工程電氣設計手冊［Z］.

［2］DL/T 5222－2005.導體和電器選擇設計技術規定［S］.

［3］李延軍.企業電網運行中的新問題［Z］.2008 年，中國企業協會培訓教材.

［4］李品德，等.電力系統故障電流限制器的應用與研制現狀［J］.2000，36 期.

［5］肖立業，等.有源超導限流器［J］.低溫物理學報，2003年，第25 卷增刊.

［6］肖立業，等.基于超導磁體和電力電子的新型橋路超導限流器［J］.低溫物理學報，2005 年，第27 卷第5 期.

［7］黃永寧，等.快速真空斷路器在限流技術中的應用［J］.寧夏電力，2014 年第6 期.