大容量高速開關(guān)組合保護裝置在鍋爐脫硫系統(tǒng)中的應(yīng)用

孫東杰

（連云港堿廠，江蘇 連云港 222042）

1 鍋爐脫硫裝置電力設(shè)備運行狀況

連云港堿廠熱電車間屬于企業(yè)自備發(fā)、配電單位，配備兩臺發(fā)電機，通過兩臺主變與外電網(wǎng)連接，負責全廠電力供應(yīng)，該廠于2014年10月投運脫硫裝置，大體系統(tǒng)接線及主要設(shè)備參數(shù)如下：1＃、2＃主變：額定容量Se＝8MVA、額定電壓35／6.3kV、阻抗電壓UI－II＝7.16% ，1＃發(fā)電機：額定容量Se＝6MW、額定電壓6.3kV、超瞬變電抗 Xd＝12.39%，2＃發(fā)電機：額定容量Se＝15MW、額定電壓6.3kV、超瞬變電抗Xd＝11.19%，限流電抗器：XKGKL－6.3－1000－8。脫硫裝置負載情況：6 kV斷路器開斷容量31.5kA、最大負載變壓器容量1 250kVA 1臺、最大負載電動機功率560kW、所帶電動機總?cè)萘? 360kW、基準容量Sj＝100 MVA。35kV系統(tǒng)：最大運行方式0.300 9、最小運行方式0.322 3，6kV電壓級的基準電流Ij＝100／／6.3＝9.16kA，主6kV母線至脫硫裝置母線電纜長度0.3km。發(fā)電機和變壓器的電抗標幺值歸算到基準值為：1＃、2＃主變：X2＝X3＝0.071 6×100／8＝0.895，1＃發(fā)電機 X6＝0.123 9×100／（6／0.80）＝1.652，2＃發(fā)電機 X5＝0.111 9×100／（15／0.80）＝0.596 8，限流電抗器的電抗標幺值歸算到基準值為 X4＝0.08×（6.3／1）×（100／6.32）＝0.733，電纜線路的電抗標幺值歸算到基準值為6kV，電力電纜線路每公里電抗值按照0.08Ω估算，X7＝0.08×0.3×（100／6.32）＝0.06。

圖1 一次系統(tǒng)圖

短路時的短路電流，阻抗等值電路見圖2。

圖2 短路阻抗圖

短路電流的計算：

標幺值計算：K1短路點短路電流為IK＝17.7 kA，預期短路電流峰值［3］為IMAX＝×17.7＝25 kA；K2短路點短路電流為IK＝23.6kA，預期短路電流峰值［3］為IMAX＝×23.6＝33.38kA。

2 系統(tǒng)存在的問題

脫硫Ⅰ段和脫硫Ⅱ段所帶負載較復雜，有變壓器、高壓電動機等。另主6kV帶有自備發(fā)電機，在脫硫Ⅰ段或脫硫Ⅱ發(fā)生短路時，發(fā)電機會跳閘，主6 kV母線電壓可能會解列。斷路器開斷故障時間長（至少60ms），在脫硫系統(tǒng)發(fā)生短路時，即使保護正確動作，從短路到切除故障至少80～100ms，發(fā)電機也會遭受短路電流的沖擊并跳閘。

3 采用SHK－FSR大容量高速開關(guān)組合保護裝置

3.1 SHK－FSR大容量高速開關(guān)組合保護裝置

SHK－FSR的一次系統(tǒng)由載流橋體FS、高壓限流熔斷器FU和氧化鋅非線性電阻FR構(gòu)成，測量CT、脈沖變壓器、計算機測控箱構(gòu)成SHK－FSR的測控系統(tǒng)。正常工作電流由FS承載，一旦發(fā)生短路，測控系統(tǒng)控制FS使之在數(shù)微秒內(nèi)開斷，短路電流轉(zhuǎn)移到限流熔斷器FU中，F(xiàn)U快速熔斷限流，F(xiàn)U的弧壓使氧化鋅非線性電阻FR導通，限制過電壓并吸收剩余能量。SHK－FSR的動作及限流特性見圖3。

由于SHK－FSR動作快，在短路電流上升的起始階段就已被截流，可使最大短路沖擊電流及與系統(tǒng)熱穩(wěn)定有關(guān)的I2t大大降低，使系統(tǒng)的動穩(wěn)定和熱穩(wěn)定裕度大大提高。

圖3 SHK－FSR的動作及限流特性

3.2 SHK－FSR解決方案

在脫硫Ⅰ段和脫硫Ⅱ段加裝大容量快速開關(guān)裝置SHK－FSR，其開斷電流可達到160kA，且操作簡單、可靠性高。一旦短路故障發(fā)生，SHK－FSR在1ms之內(nèi)截流，3ms之內(nèi)開斷，在電流上升的起始階段即將短路電流加以限制（少于2ms）。

系統(tǒng)中原脫硫I段和脫硫II段的真空斷路器與SHK－FSR串聯(lián)，真空斷路器只承擔正常負荷投切操作、過載保護。當系統(tǒng)短路時，短路電流由SHK－FSR瞬間開斷。

3.3 SHK－FSR的參數(shù)設(shè)計

3.3.1 脫硫I段SHK－FSR1的額定參數(shù)

1）額定電流Ie

按照最大負荷考慮，變壓器1 250kVA 1臺，電動機總?cè)萘? 360kW，負荷電流IN1＝（2 360÷0.8＋1 250）÷6.3÷1.732＝385A?？紤]并留有30%的裕度，Ie≥1.3×IN1＝500A。SHK－FSR1的額定電流選為Ie＝1 000A。

2）SHK－FSR1的動作電流Idz

①動作電流的上限Idz－s

考慮SHK－FSR1動作電流的正誤差和真空斷路器開斷電流（31.5kA）的負誤差，SHK－FSR的動作電流Idz應(yīng)小于真空斷路器額定開斷電流Ikd的70%：Idz－s≤0.7Ikd＝22kA。

② 動作電流的下限Idz－x

動作電流不小于廠用變壓器空載合閘時的激磁涌流：Idz－x≥1.5×12IN1＝2.1kA，動作電流不小于電動機的啟動電流：Idz－x≥7×270＝1.89kA。取動作電流Idz＝10kA。

3）SHK－FSR1的啟動電流

系統(tǒng)最大運行方式下，高壓側(cè)短路電流Ik流過SHK－FSR1時，裝置的運算時間不應(yīng)小于160ms（式中IN1為廠變一次側(cè)額定電流），取ILimt＝5kA。

4）SHK－FSR1的電流變化率

大容量快速開關(guān)裝置的動作電流波形如圖3中的曲線4所示，動作電流曲線的表示為i＝iLimit對應(yīng)的時間：di／dt＝×10×314×cos18×t，t＝arcsin（5／10）／18 ＝ 1.666ms，di／dt＝3.8A／ms，di／dt＝3.8kA／s。

5）SHK－FSR1的動作條件

SHK－FSR1的動作取決于電流啟動值iLimit（圖2中的曲線3）、電流變化率di／dt（圖3中的曲線5），只有在兩者同時超過整定值時，SHK－FSR1才會動作。

6）SHK－FSR1的截流時間和截止電流

7）FU的參數(shù)

熔斷器FU的額定電流：Ik＝17.7kA和ip＝11kA。

8）FR的參數(shù)

取FR殘壓Uc＝ 2.5×1.15×UΦN＝14.8kV以保證變壓器不受高電壓的沖擊。

3.3.2 脫硫Ⅱ段SHK－FSR2的額定參數(shù)

1）額定電流Ie

按照最大負荷考慮，變壓器1 250kVA 1臺，電動機總?cè)萘浚? 360kW，負荷電流IN1＝（2 360÷0.8＋1 250）÷6.3÷1.732＝385A，考慮并留有30%的裕度，Ie≥1.3×IN1＝500A。SHK－FSR2的額定電流選為Ie＝1 000A。

2）SHK－FSR2的動作電流Idz

①動作電流的上限Idz－s

考慮SHK－FSR動作電流的正誤差和真空斷路器開斷電流（31.5kA）的負誤差，SHK－FSR的動作電流Idz應(yīng)小于真空斷路器額定開斷電流Ikd的70%：Idz－s≤0.7Ikd＝22kA。

②動作電流的下限Idz－x

動作電流不小于廠用變壓器空載合閘時的激磁涌流Idz－x≥1.5×12IN1＝2.1kA，動作電流不小于電動機的啟動電流Idz－x≥7×270＝1.89kA。取動作電流Idz＝12kA。

3）SHK－FSR2的啟動電流

系統(tǒng)最大運行方式下，高壓側(cè)短路電流Ik流過SHK－FSR2時，裝置的運算時間不應(yīng)小于160ms（式中IN1為廠變一次側(cè)額定電流），取ILimt＝6kA。iLimt＝ 6kA＝8.48kA。

4）SHK－FSR2的電流變化率

大容量快速開關(guān)裝置的動作電流波形如圖2中的曲線4所示，動作電流曲線的表示為，i＝iLimit對應(yīng)的時間：di／dt＝×12×314×cos18×t，t＝arcsindi／dt＝4.6kA／s。

5）SHK－FSR2的動作條件：

6）SHK－FSR2的截流時間和截止電流

7）FU的參數(shù)

SHK－FSR2的動作取決于電流啟動值iLimit（圖3中的曲線3）、電流變化率di／dt（圖3中的曲線5），只有在兩者同時超過整定值時，SHK－FSR才會動作。

熔斷器FU的額定電流：Ik＝23.6kA和ip＝14.4kA。

8）FR的參數(shù)

取FR殘壓Uc＝2.5×1.15×UΦN＝14.8kV以保證變壓器不受高電壓的沖擊。

4 結(jié) 語

目前連云港堿廠在鍋爐脫硫電力系統(tǒng)中已采用大容量高速開關(guān)組合保護裝置，即便脫硫I段或脫硫Ⅱ段發(fā)生短路，大容量高速開關(guān)組合保護裝置可以實現(xiàn)在1ms之內(nèi)截流，3ms之內(nèi)開斷短路電流。在很大程度上避免因此而產(chǎn)生的發(fā)電機跳閘乃至主6kV母線解列這類重大電氣事故，提高企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)安全穩(wěn)定性，保證生產(chǎn)系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定。

［1］ 王仁祥.電力新技術(shù)概論［M］.北京：中國電力出版社，2009

［2］ 傅知蘭.電力系統(tǒng)電氣設(shè)備選擇與實用計算［M］.北京：中國電力出版社，2004

［3］ 劉介才.工廠供電設(shè)計指導［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2003