深度限流技術在冶金企業(yè)供電系統(tǒng)中的應用

段正華,侯 豐

(云南馳宏鋅鍺股份有限公司,云南 曲靖 655000)

0 引言

云南馳宏曲靖冶煉廠的220 kV 變電站,自建成已經安全運行十余年。近年來該廠隨著精深加工項目的逐步建設,用電負荷也在不斷增加,原有的2 臺31.5 MVA 主變壓器已經不能滿足供電需求,需要增容到2 臺50 MVA 主變壓器。主變容量增加引起10 kV 系統(tǒng)短路電流增大,為保證10 kV 系統(tǒng)安全運行,需要采取措施限制10 kV 系統(tǒng)短路電流。本文對比多種限制短路電流方案,論述深度限流技術和裝備在實際工程的應用。

1 改造前供配電系統(tǒng)情況

圖1 為改造前該廠的電氣主接線示意圖。總降壓內設兩臺220 kV 主變,220 kV 系統(tǒng)為雙母線接線,兩臺主變壓器容量為31.5 MVA,10 kV 系統(tǒng)為單母線分段接線。10 kV 系統(tǒng)主要出線包括:鋅系統(tǒng)10 kV 配電站、鉛系統(tǒng)10 kV 配電站、硫酸10 kV配電站、鍺10 kV 配電站、鋅合金10 kV 配電站、10MW 余熱發(fā)電站。

圖1 改造前電氣主接線示意圖

2 增容主變帶來的問題

該220 kV 變電站由于生產需要,兩臺主變容量需由31.5 MVA 更換為50 MVA。原系統(tǒng)兩臺變壓器并列運行時,10 kV 系統(tǒng)短路電流約為27.5 kA,增容后10 kV 系統(tǒng)短路電流增加到43.64 kA。原有10 kV 開關柜短路遮斷電流為31.5 kA,無法滿足系統(tǒng)運行要求。因此需要考慮在主變10 kV 側加裝限制短路電流的設備,與此同時,除滿足繼電保護具備選擇性、靈敏性外,應考慮受限的安裝空間及節(jié)能需求。

3 限流方案選擇

3.1 采用傳統(tǒng)的限流電抗器

限流電抗器不考慮其過負荷能力,因此取其額定電流為變壓器低壓側最大可能工作電流,額定電壓取系統(tǒng)工作電壓。額定電抗率可按公式(1)選擇[1]。

式中Ij—基準電流,A;

I″—被電抗器限制后要求的短路次暫態(tài)電流,kA;

X*j—以Uj、Ij為基準,從網絡計算至所選用的電抗器前的電抗標幺值,A;

Iek—電抗器的額定電流,A;

Uj—基準電壓,kV。

將系統(tǒng)相關參數(shù)帶入公式(1),計算得額定電流Iek=3 150 A、額定電抗率Xk%=19%。

正常工作時電抗器的電壓損失不應大于母線額定電壓的5%。按公式(2)校驗電壓損失。

式中Ig—正常通過的工作電流,A。

sinφ取0.6,將計算數(shù)據帶入,校驗通過。

除外此種電抗器制造工藝難度大、能耗較高的限制,受工程周期、安裝地點局限性、成本等諸多因素的影響,該類型限流電抗器與此次改擴建項目融合度較低。

3.2 限流電抗器+FSR 方案

3.2.1 節(jié)能原理

圖2 示意了此方案應用旁路辦法節(jié)能原理,電抗器損耗節(jié)能收益巨大,正常運行時爆炸橋投入使用,工程取阻抗可忽略不計,消除正常工作模式下電抗器的有功損耗,進而實現(xiàn)節(jié)能。

圖2 爆炸橋并聯(lián)電抗器原理圖

3.2.2 爆炸橋基本原理

爆炸橋本質上是一種組合電器,其內置炸藥金屬載流橋及限流熔斷器。圖3 中d點發(fā)生短路故障時,橋體快速爆炸。將短路電流在熔斷器及電抗器中進行轉換,短路電流將快速熔斷器演變成高阻狀態(tài),限流熔斷器迅速炸裂,短路電流流經電抗器,達到限流作用。

圖3 爆炸橋原理圖

選用此種方案能夠有效節(jié)能,提高電源有功輸出,但是維護工作量較大:每當短路電流發(fā)生后,需立即更換爆炸橋,更換配件尚應考慮遠景與近景兩種情況,近景可以及時購買爆炸橋,配件費用較大;遠景看來變電站需要運行相對較長時間,備品備件的存儲及長久供貨廠家的生產能力令人擔憂,暫無統(tǒng)一的布置接口與標準尺寸及規(guī)程。因此從運行角度看,這種方案對于公司適合度較低。另外該方案設備體積龐大,安裝空間也無法滿足建設需求。

3.3 采用高阻抗變壓器

采用該方案達到限制短路電流的目的,需要主變的阻抗電壓不低于21%,按照系列標準選型的話,需要選擇阻抗電壓為23%的產品。與方案1 相比,能夠解決安裝空間受限問題和空心電抗器漏磁場問題,但高阻抗主變同樣存在損耗偏高問題,而且造價約為標準阻抗變壓器的2.5 倍,經濟性并不明顯。

3.4 串聯(lián)深度限流裝置

在變壓器低壓側串入額定電壓10 kV、額定電流3 150 A、額定電抗率19%的深度限流裝置。該類型設備安裝占地面積小,完全滿足改造功能要求。

表1 方案技術性能對比表

4 深度限流裝置技術特點及關鍵技術

零損耗深度限流裝置,主要由換流器及限流電抗器組成。換流器包含快速斷路器、羅克CT、分相控制器及返回CT。換流器主要元件為渦流驅動快速斷路器,正常運行時,將限流電抗器短路,短路故障發(fā)生時,分相控制器迅速(短路電流第一次過零)下達指令,退出快速斷路器,投運限流電抗器,分閘快速斷路器指令可在5 ms 內下達,進而實現(xiàn)深度限流。與爆炸橋相比,無需更換熔斷器[2-3],大大減輕運維工作。

目前,10 kV 彈簧機構驅動的真空斷路器廣泛應用在變配電領域,其固有分閘時間約25 ms 左右[4],校驗電氣設備短路耐受能力時間一般取斷路器固有分閘時間及繼電保護動作時間之和[5],帶時限保護更加考驗電氣設備短路耐受能力。“零前分閘”相控技術為限流裝置的關鍵技術之一,考慮動作時限,可在短路電流過零時投入限流電抗器。完成“零前分閘”需要對故障電流做出快速判斷,預測故障電流過零點,根據“渦流驅動”快速真空斷路器的基本特性,控制器擬合采集數(shù)據,在3 ms 內甄別短路電流,給出動作判斷,觸發(fā)相應指令及元件,準確分閘,投入電抗器。將深度限流特點總結如表2所示。

表2 裝置特點總結表

5 改造后供配電系統(tǒng)情況

為了解決主變增容后短路電流超標問題,綜合考慮投資、能耗、壓降、電磁干擾、發(fā)熱、噪聲等一系列問題,最終采用在主變低壓側串聯(lián)安裝零損耗深度限流裝置的方案。

圖4 改造后電氣主接線圖

6 系統(tǒng)運行情況

自主變擴容改造安裝限流裝置投入運行以來,共發(fā)生四次限流裝置動作,動作具體數(shù)據如下:

(1)2019 年6 月16 日,系統(tǒng)10 kV 側短路,短路電流12 560 A,限流裝置在20 ms 內可靠斷開,投入限流電抗器,系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

(2)2019 年9 月26 日,系統(tǒng)10 kV 側短路,短路電流12 948 A,限流裝置在15 ms 內可靠斷開,投入限流電抗器,短路電流被限制在2 800 A 以下,系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

(3)2020 年7 月1 日,系統(tǒng)10 kV 鋅焙燒廠1#循環(huán)水泵電機故障,短路電流18 741 A,限流裝置在20 ms 內可靠斷開,投入限流電抗器,系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

(4)2020 年8 月3 日,系統(tǒng)10 kV 側電纜短路,短路電流16 115 A,限流裝置在20 ms 內投入限流電抗器,系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

7 結論

文中分析了目前國內常規(guī)限制短路電流的一些措施,著重介紹了一種10 kV 零損耗深度限流裝置關鍵技術及特性,通過一年來實際運行情況,將預期短路電流限制在原有設備允許范圍以內,運行效果良好,對于類似工程具有借鑒及指導意義。