ABB快速限流器在煤化工行業的應用

康小剛

摘 要：煤化工行業是近年來一個新興的產業，由于市場前景好，近些年來發展迅猛，煤化工由于工藝要求，主變變壓器有時需要進行并列運行。本文通過該項目，介紹了變壓器并列運行造成短路電流超標問題的解決方法、快速限流器的分類、動作原理和快速限流器在限制短路電流中的一些優點，最后還介紹了ABB快速限流器的特點。

關鍵詞：短路電流；第一個大半波峰值；快速限流器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.146

0 引言

該煤化工項目110kV中心變電站（以下簡稱變電站）的電壓等級分為110kV、35kV兩個電壓等級，110kV和35kV均為單母分段，電源由外部、內部兩部分組成，外部電源由110kV輸電線路進行供電，內部由兩臺自備發電機進行供電（見圖一）。變電站配置四臺容量為75MW的110kV/35kV降壓變壓器（T1-T4）和兩臺容量為75MW的10kV/35kV升壓變壓器（T5-T6），35kV電氣設備的額定短路電流為32kA。正常運行時，110kV、35kV母聯開關均為分開狀態，六臺變壓器為分列運行狀態，35kV母線d1處短路電流為17kA，滿足額定短路要求； 當110kV、35kV母聯開關在閉合狀態，六臺變壓器轉為并列運行狀態，此時35kV母線d1處短路電流如下：

基準容量=100MVA，發電機額定功率=60MW 功率因素cosφ=0.80，根據發電機參數得知 。

從以上計算可以看出，并列運行方式下，d1處的短路電流值為34.9kA，大于額定短路電流32kA，存在安全運行隱患。如果不采取限制短路電流措施，當35kV母線及35KV出線下端出現短路故障時，通過35kV斷路器最大短路電流達到34.9kA，大于額定開斷電流32kA， 35kV斷路器將會由于開斷容量不夠造成斷路器炸裂的事故。變壓器并列運行是煤化工行業一種常用的運行方式，該運行方式下，所有變壓器均并聯在同一電壓母線上，可以方便的退出一臺變壓器進行檢修，其他變壓器仍可繼續運行，減少由于變壓器檢修造成的停電減產、停工；同時煤化工企業大部分都在北方區域，由于季節原因，在負荷輕的冬季可以將部分變壓器退出運行，可以減少變壓器的空載損耗和無功勵磁電流，改善電網的功率因數，提高煤化工企業運營的經濟效益。

1 解決系統短路電流超標的幾種方案

（1）提高35kV開關設備短路電流。將35kV開關設備短路電流額定值提高到40kA，由于投資資金大，設備改造工程量大且周期長，嚴重影響工程進度，所以該方案不予采用。

（2）串聯電抗器，限制短路電流。通過串聯電抗器，增加系統阻抗，限制短路電流。該改造方案有兩種，一種是在主變壓器低壓側處串聯電抗器，一種是在母聯處串聯電抗器。根據設計規范，選擇電抗器時，既要將短路電流限制到要求值，又要使電抗器的電壓損失不超標母線額定電壓的5%，經計算，兩種方案在串聯電抗器時，d1處的短路電流值和電壓損失均不能同時滿足設計規范要求，同時35kV干式空心電抗器體積龐大，由于項目已建成，變電站內也沒有合適地方可以安裝，所以該方案也無法實行。

（3）加裝快速限流器，限制短路電流。快速限流器最大開斷短路電流可達210kA有效值，完全可以滿足開斷該項目短路電流的要求；同時由于動作時間快，也不會給母線帶來任何電壓降。快速限流器可以在開關柜柜內安裝，外殼尺寸與開關柜尺寸一致，可以拼接插入到母聯柜和提升柜之間，縮短現場施工工期、減少工程量，大大降低改造費用。經綜合評定，選用快速限流器方案。

2 快速限流器的分類

快速限流器是限流器的一種，具有開斷迅速、分斷容量大等特點，基本功能是在電流上升的初期（小于1毫秒）感知短路電流值并加以限制，將短路電流限制在第一個大半波上升的初期，確保短路電流回路中的母線、斷路器、電纜、變壓器的機械結構不被電動力破環。根據采用的技術類型不同，歸納為以下三種類型：

（1）超導技術型快速限流器。超導技術型就是利用超導材料的超導特性，當超導材料通過一定值的電流時，超導材料立刻變為高阻抗狀態，從而起到限制短路電流的作用，目前還在試用階段，成本相對較高。

（2）電力電子技術型快速限流器。利用半導體元件的通斷，投入和切除并聯在半導體上的電抗器起到限流作用，由于受到電子元器件的短路容量限制，使用范圍受到限制，目前在短路容量較小的配電系統中有應用。

（3）Is型快速限流器。第一套Is型限流器由ABB的Calor Emag公司在1955年發明創造，采用一種化學類的感應填料填充在快速限流器主回路內，經脈沖變壓器觸發后，在1ms內將主回路斷開，是目前世界上開斷速度最快、開斷容量最大的快速限流器，目前全球已有上千臺的應用業績，隨著國內對提高電能質量和電力系統可靠性要求的日益增長要求，目前國內市場也逐漸成熟。國內廠家也有相類式型號的產品（爆炸橋型限流器）在生產銷售。

3 快速限流器的工作原理

以下以Is型快速限流器為例，介紹快速限流器的工作原理。快速限流器裝置主要由專用電流互感器、測量與跳閘觸發裝置、脈沖變壓器、Is主回路本體（包含熔斷器）四部分構成（見圖2），動作過程如下：

當發生短路故障時，專用電流互感器①將一次短路電流轉為二次信號傳輸給測量與跳閘觸發裝置②，測量與跳閘觸發裝置時刻在監測所流過電流的瞬時值及其上升坡度，當兩個整定值同時達到或被超過時，發出跳閘脈沖給脈沖變壓器③。脈沖變壓器的作用除了觸發Is主回路本體④中的感應填料外，同時還起到測量與跳閘觸發裝置與系統同電位的感應填料的高低壓電氣隔離作用。由于Is主回路本體的電阻是微歐級，并聯在Is主回路本體上的熔斷器的電阻是毫歐級，正常運行時電流基本全部從Is主回路本體上流過。感應填料引爆后Is主回路本體被炸斷，Is主回路本體電阻瞬間由微歐級轉為高電阻，電阻值遠大于并聯的熔斷器電阻， 短路電流迅速轉移到熔斷器上流過，此時由熔斷器將短路電流開斷掉，使短路電流在大半波高峰前被切斷。

根據國標規定，在規定的使用和性能條件下，開關設備和控制設備在合閘位置能夠承載的第一個大半波的電流峰值，額定峰值耐受電流達到 2.5 倍額定短時耐受電流。因為電力系統在出現短路故障時，短路回路中的短路電流會迅速升高，通常為額定電流的幾倍或十幾倍，數值可達上千安培，該電流通過電氣設備和導體時會產生很大的電動力，短路過程中電動力最大值是出現在第一個大半波峰值，例如系統的短路電流為32kA（有效值），設備最大可承受的第一個大半波峰值的瞬時值為80kA，如果系統預期短路電流超過該數值，短路回路中的電氣設備（母線、變壓器、斷路器、互感器、穿墻套管）的機械結構將會被超標的電動力破環。

4 快速限流器的優點

4.1 減少短路時的回路壓降

由于沒有串聯電抗器的阻抗，極大的降低了負荷沖擊（如大電機啟動）引起的電壓降，同時也避免低壓開關脫扣器因為短路時的瞬間低電壓造成的脫扣跳閘。

4.2 節約能源，降低費用

以一組10 kV/3000 A、電抗率12%的限流電抗器為例，按照NKSL電抗器樣本的參數，其阻抗值約為0.231Ω，三相有功損耗約為68 kW，全年滿負荷運行損失電量W1=60萬kWh，電價按0.5元/kWh計算，每年僅有功損失折合人民幣近30多萬元。通過將快速限流器跨接到電抗器兩端，將電抗器短接，正常運行時，電流基本全部通過快速限流器，電抗器沒有任何功耗，起到節約能源作用；當回路出現短路電流時，快速限流器瞬間動作，電抗器立刻投入，起到限制短路電流作用。

4.3 降低系統升級投資成本

當對現有系統擴充時，通常會遇到系統短路容量不足的情況，通過快速限流器將新舊兩個系統連接起來，是解決該類問題的一個很好方案，可以節約投資更換設備的費用。

該項目最終采用Is技術型限流器，具體為ABB的Is—Limiter快速限流器（見圖3），通過在35kV母聯開關串聯一臺ABB快速限流器，起到限制35kV母線d1處短路電流的目的。一般開關設備采用存儲的機械能量作為開關操作的能量，如彈簧機構、液壓機構，其動作時間為幾十毫秒，如采用此類操作機構，無法保證在短路電流的峰值到達之前使開關動作。為使開關快速動作，ABB快速限流器采用一種新型的感應填料填充在Is主回路本體內作為動作材料，其整個動作時間為： T=T1+T2+T3<1ms

T1： 檢測裝置動作時間15us

T2： Is快速限流器主回路動作時間85us

T3： 熔斷器動作時間500us

從啟動到切斷短路電流，整個過程時間不超過600 us ，是目前世界上最快的Is技術型限流器。ABB的Is—Limiter快速限流器具有以下特點：

（1）運營費用低。那一相短路電流超過預定動作值，那一相主回路本體動作，其余相不動作。動作后的主回路本體返廠維修后，可重復使用，節省后續運營成本。

（2）快速恢復事故。主回路本體和熔斷器安裝在一個可更換的底座上，兩端為杠桿式的卡緊裝置，可以快速拆裝主回路本體，便于出現短路故障后的系統的快速恢復。

（3）安裝方式靈活。可以安裝在移動手車上，推進開關柜；可以直接安裝在開關柜柜內或安裝在開關柜頂部、母線橋架上。

（4）專用調試工具。ABB快速限流器配有專門的調試工具和調試軟件，通過測試裝置施加模擬電流，對啟動值和動作值進行校驗，檢測脈沖變壓器的脈沖信號是否發出，校驗快速限流器動作的可靠動作。

5 結束語

多個主變變壓器并列運行，導致系統短路電流超標是目前很多煤化工工業客戶（包其他工業）一直困擾的問題，本文通過對主變變壓

器并列運行后的短路電流計算和分析，提出全新的快速限流器的解決方案。給出快速限流器在系統中應用的優點，除了限制短路電流還可以避免短路故障時造成的母線電壓損失，與限流器并聯使用還可以起到節能的作用。對短路電流第一個大半坡峰值對電氣設備造成的不可逆損壞進行闡述，希望能引起電氣設備管理者的重視。目前很多電氣設備（尤其是變壓器繞組、穿墻套管）都是因為短路時大半波沖擊電流的電動力造成永久的損壞，所以，限制系統短路電流是一項重要工作，快速限流器的應用在該項工作中扮演者重要的角色。

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