解決35 kV 母線短路電流超限的方法

薛葵

(云南省電力設(shè)計(jì)院，昆明 650051)

0 前言

電網(wǎng)建設(shè)的增速也日趨加大，原有建成項(xiàng)目的設(shè)備面臨開斷能力不足，不能滿足目前或遠(yuǎn)景年短路水平要求的現(xiàn)狀，而許多設(shè)備本身還未達(dá)到其使用年限，更換勢(shì)必造成投資的增加和浪費(fèi)，而且改造周期內(nèi)會(huì)造成大面積停電等問(wèn)題，以下通過(guò)一個(gè)具體項(xiàng)目的解決方案來(lái)進(jìn)行較為深入的探討。

1 應(yīng)用實(shí)例

某自備電廠現(xiàn)有規(guī)模為:一期額定功率為30 MW 的發(fā)電機(jī)組2 臺(tái)和二期額定功率為60 MW 的發(fā)電機(jī)組1 臺(tái)。本期擴(kuò)建工程在充分利用一期和二期工程建設(shè)的公用設(shè)施和預(yù)留場(chǎng)地的基礎(chǔ)上，新建額定容量為1×45 MW 的發(fā)電機(jī)組。發(fā)電廠輸送電力全部自用。配套建設(shè)本期額定容量為45 MW 的背壓汽輪發(fā)電機(jī)組，實(shí)現(xiàn)煤、電、化資源的綜合利用。

圖1 電氣一次主接線

自備電廠現(xiàn)有規(guī)模為:一期額定功率為30 MW 的發(fā)電機(jī)組2 臺(tái)和二期額定功率為60 MW 的發(fā)電機(jī)組1 臺(tái)。本期擴(kuò)建工程在充分利用一期和二期工程建設(shè)的公用設(shè)施和預(yù)留場(chǎng)地的基礎(chǔ)上，新建額定容量為1×45 MW 的發(fā)電機(jī)組。

35 kV 系統(tǒng)為雙母線接線方式，兩回35 kV架空進(jìn)線正常運(yùn)行方式為一回運(yùn)行、一回備用，在發(fā)電機(jī)故障情況下切除相應(yīng)負(fù)荷，在負(fù)荷故障情況下切除相應(yīng)發(fā)電機(jī)組。各發(fā)電機(jī)端經(jīng)限流電抗器向廠用電負(fù)荷供電。

2 35 kV 系統(tǒng)存在問(wèn)題

1)35 kV 架空配網(wǎng)系統(tǒng)側(cè)短路阻抗標(biāo)幺值為0.070 282 (基準(zhǔn)容量100 MVA)，基準(zhǔn)容量取SB=100 MVA，基準(zhǔn)電壓取運(yùn)行電壓平均值36.75/6.3 kV，計(jì)算結(jié)果可以看出:若遠(yuǎn)景年 (2025年)該熱電廠僅投運(yùn)一期1、2#容量為30 MW 的發(fā)電機(jī)，35 kV 母線短路電流已達(dá)26.56 kA，而一、二期現(xiàn)有35 kV 設(shè)備短路容量?jī)H為25 kA，因此，當(dāng)遠(yuǎn)景年近區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)、規(guī)劃新建電源投產(chǎn)以后，35 kV 母線故障情況下短路電流最大值將超標(biāo)［2］，造成如下危害，若不采用其他的接入系統(tǒng)方案或限流措施，將無(wú)法滿足自備電廠和生產(chǎn)負(fù)荷的安全穩(wěn)定運(yùn)行要求:電源與負(fù)荷不匹配，需要經(jīng)常調(diào)整運(yùn)行和生產(chǎn)方式，存在嚴(yán)重的生產(chǎn)和運(yùn)行安全隱患。

2)當(dāng)供電局的35 kV 架空電網(wǎng)發(fā)生短路時(shí)，靠四臺(tái)發(fā)電機(jī)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(wǎng)短路引起的南磷尋甸“外網(wǎng)晃電”事故應(yīng)當(dāng)是很頻繁的［1，3］。

3 電廠35 kV 系統(tǒng)解決方案

3.1 串聯(lián)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(tǒng)三相短路計(jì)算結(jié)果列于表1。

表1 串聯(lián)限流電抗器后尋甸35 kV 母線三相短路計(jì)算結(jié)果

兼顧熱電廠和變電站兩側(cè)斷路器的開斷壓力，以及架空電網(wǎng)短路時(shí)對(duì)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(yùn)行時(shí)串聯(lián)在線路中，不可避免地產(chǎn)生巨大的電能損耗。按照35 kV 架空進(jìn)線最大傳輸功率15 MVA 考慮，電抗器的額定電流應(yīng)為300 A，則限流電抗率為8.864%。

3.2 限流電抗器并聯(lián)爆炸開關(guān)

如圖2 所示，大容量快速開關(guān)主要由載流橋體、限流熔斷器、氧化鋅組件和測(cè)控單元構(gòu)成［4］?？梢栽诙搪饭收习l(fā)生后的1 ms 左右實(shí)現(xiàn)截流，3 ms 之內(nèi)完成首開相的開斷。

圖2 大容量快速開關(guān)

正常運(yùn)行時(shí)，工作電流經(jīng)載流橋體流過(guò)，發(fā)生短路時(shí)測(cè)控單元在0.3～0.4 ms 之內(nèi)迅速作出判斷并發(fā)出動(dòng)作指令，載流橋體在0.15 ms 之內(nèi)分?jǐn)?限流熔斷器在流經(jīng)大的短路電流后在0.5 ms 左右熔斷，將短路電流強(qiáng)行截?cái)?在限流熔斷器熔斷時(shí)的電弧電壓作用下氧化鋅組件立即導(dǎo)通并稱在續(xù)流，隨著能量的被消耗電流逐漸衰減到零。并聯(lián)大容量快速開關(guān)后，正常運(yùn)行時(shí)限流電抗器被短接，不存在電能損耗問(wèn)題，發(fā)生短路時(shí)最快在3 ms 將電抗器串入實(shí)現(xiàn)限流。但大容量快速開關(guān)在每次動(dòng)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(hù)工作量大，運(yùn)行費(fèi)用高，還存在更換不及時(shí)的問(wèn)題。

3.3 其他限流方案

也有采用高阻抗變壓器來(lái)限制短路電流的，與串聯(lián)限流電抗器相比沒(méi)有什么大的區(qū)別，同樣存在電能損耗和電壓降落的問(wèn)題。

近年由限流電抗器與電容器串聯(lián)構(gòu)成的串聯(lián)諧振型限流方案也完成了掛網(wǎng)試驗(yàn)。正常運(yùn)行時(shí)電容器抵消了限流電抗器的感抗，不會(huì)產(chǎn)生無(wú)功損耗。一旦線路發(fā)生短路故障，則通過(guò)放電間隙、電子開關(guān)和旁路開關(guān)將補(bǔ)償電容短接，由限流電抗器限制短路電流。但當(dāng)流過(guò)負(fù)荷電流時(shí)仍然會(huì)在限流電抗器的電阻上產(chǎn)生有功損耗。盡管這種有功損耗比起未加補(bǔ)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(shù)復(fù)雜、體積龐大、造價(jià)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(guò)程中。正常運(yùn)行時(shí)電抗器受直流偏磁的影響工作在低阻抗區(qū)，一旦發(fā)生短路立即撤出偏磁直流，電抗器進(jìn)入高阻抗區(qū)限制短路電流。與串聯(lián)諧振限流方案相比，盡管取消了電子開關(guān)，但又增加了整流設(shè)備和控制設(shè)備，同樣存在技術(shù)復(fù)雜、體積龐大、造價(jià)高以及有功損耗等問(wèn)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(wǎng)還有很多技術(shù)問(wèn)題需要研究。

超導(dǎo)限流方案是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外比較熱門的課題［5］。正常運(yùn)行時(shí)超導(dǎo)體限流器工作在臨界參數(shù)(電流、溫度或磁通)以下的超導(dǎo)狀態(tài)，一旦發(fā)生短路時(shí)超導(dǎo)體立即進(jìn)入失超狀態(tài)，呈現(xiàn)高阻抗限制短路電流。這種超導(dǎo)限流方案盡管目前成為國(guó)內(nèi)外的熱門話題，但由于體積龐大、技術(shù)復(fù)雜，價(jià)格貴，可靠性有待于進(jìn)一步考驗(yàn)。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 無(wú)損耗深度限流裝置

4.1.1 結(jié)構(gòu)原理

無(wú)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(shí)別器等組成。正常運(yùn)行時(shí)，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(wú)損耗”狀態(tài)。一旦發(fā)生短路時(shí)，快速識(shí)別器在2 ms 之內(nèi)快速作出判斷并向快速換流器發(fā)出動(dòng)作指令，快速換流器在接到動(dòng)作指令后的5 ms 左右快速分閘，將深度限流器串入實(shí)現(xiàn)深度限流。當(dāng)故障切除后，快速識(shí)別器立即控制換流器合閘，限流裝置恢復(fù)到無(wú)損耗運(yùn)行狀態(tài)。

4.1.2 主要特點(diǎn)

速度快、無(wú)損耗、壽命長(zhǎng)。該裝置可通過(guò)數(shù)據(jù)接口、光纖、光電轉(zhuǎn)換器將現(xiàn)地的A、B、C 三相限流裝置的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與電廠控制室內(nèi)的監(jiān)控后臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換。

4.1.3 關(guān)鍵技術(shù)

“快速動(dòng)作”和“快速判斷”是無(wú)損耗深度限流裝置的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

短路故障的快速識(shí)別技術(shù)如圖2 所示。為能實(shí)現(xiàn)對(duì)短路故障的快速識(shí)別，需要將通常的有效值判據(jù)I≥Izd 改為電流瞬時(shí)值與電流變化率同時(shí)越線作為判據(jù)。按照快速識(shí)別器所需要的最短運(yùn)算時(shí)間t0與最大短路電流曲線iK 交點(diǎn)處的縱坐標(biāo)作為瞬時(shí)值整定值iL，iL 與izd 交點(diǎn)處的斜率作為電流變化率整定值。如果在瞬時(shí)值條件滿足之前，至少連續(xù)10 點(diǎn)滿足電流變化率的條件，則判定為電流有限制超過(guò)整定值，發(fā)出動(dòng)作指令。

利用短路故障快速識(shí)別技術(shù)開發(fā)的用于大容量快速開關(guān)裝置中的測(cè)控單元，用該項(xiàng)技術(shù)開發(fā)的無(wú)損耗深度限流裝置的快速識(shí)別器，可以在2 ms 之內(nèi)作出判斷并發(fā)出動(dòng)作指令，為深度限流器的快速投入創(chuàng)造了條件。

圖2 短路故障的快速識(shí)別技術(shù)

主要由分合閘線圈、渦流盤、儲(chǔ)能電容、充電電源等組成。接通工作電源后，儲(chǔ)能電容很快完成充電。需要分閘時(shí)，分閘控制開關(guān)接通，分閘儲(chǔ)能電容向分閘線圈放電，產(chǎn)生強(qiáng)度很高的脈沖電流;脈沖電流在分閘線圈產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)穿過(guò)渦流盤并在渦流盤中感應(yīng)出渦流;渦流磁場(chǎng)與脈沖磁場(chǎng)之間的排斥力推動(dòng)渦流盤向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)動(dòng)觸頭完成分閘。合閘過(guò)程正好相反，合閘線圈的渦流磁場(chǎng)推動(dòng)渦流盤向上運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)動(dòng)觸頭完成合閘。

利用快速渦流驅(qū)動(dòng)技術(shù)開發(fā)的快速真空斷路器，合閘時(shí)間可以做到10 ms 左右，分閘時(shí)間可以控制在5 ms 以內(nèi)。利用快速真空斷路器作為無(wú)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(chǔ)。

圖3 快速渦流驅(qū)動(dòng)技術(shù)原理圖

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)部分老廠改造項(xiàng)目，采用無(wú)損耗深度限流裝置是一個(gè)既能節(jié)省投資，又能大大減少施工周期，而且滿足安全運(yùn)行要求的較好方案之一。解決了遠(yuǎn)景年一、二、三期發(fā)電機(jī)投運(yùn)后帶來(lái)的短路電流超標(biāo)問(wèn)題，使發(fā)電機(jī)接入系統(tǒng)方案達(dá)到最優(yōu)，采用無(wú)損耗深度限流裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后發(fā)電機(jī)組接入系統(tǒng)方案更加經(jīng)濟(jì)合理，提高35 kV系統(tǒng)承受外網(wǎng)“晃電”的能力。

［1］水利電力部西北電力設(shè)計(jì)院.電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)［Z］.

［2］DL/T 5222－2005.導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［S］.

［3］李延軍.企業(yè)電網(wǎng)運(yùn)行中的新問(wèn)題［Z］.2008 年，中國(guó)企業(yè)協(xié)會(huì)培訓(xùn)教材.

［4］李品德，等.電力系統(tǒng)故障電流限制器的應(yīng)用與研制現(xiàn)狀［J］.2000，36 期.

［5］肖立業(yè)，等.有源超導(dǎo)限流器［J］.低溫物理學(xué)報(bào)，2003年，第25 卷增刊.

［6］肖立業(yè)，等.基于超導(dǎo)磁體和電力電子的新型橋路超導(dǎo)限流器［J］.低溫物理學(xué)報(bào)，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(shù)中的應(yīng)用［J］.寧夏電力，2014 年第6 期.