零損耗深度限流裝置在煤化工企業(yè)中的應(yīng)用

楊 智，王玉秋

（1.伊犁新天煤化工有限責(zé)任公司，新疆伊犁 835000；2.濟(jì)南軌道交通裝備有限責(zé)任公司研究院環(huán)保研究所，山東濟(jì)南 250022）

引言

我國(guó)的煤炭資源情況與世界平均水平接近，具有相對(duì)比較優(yōu)勢(shì)，而石油與天然氣人均儲(chǔ)量與歐美、OECD發(fā)達(dá)國(guó)家等有相當(dāng)大的差距，這就決定了我國(guó)長(zhǎng)期依賴煤炭資源的格局。國(guó)家發(fā)改委公布的《天然氣發(fā)展“十二五”規(guī)劃》亦規(guī)定，到2015年，國(guó)產(chǎn)天然氣供應(yīng)能力達(dá)到1760億m3左右，其中煤制氣約150～180億m3，數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)天然氣需求量年均增長(zhǎng)率近16%，國(guó)家能源局預(yù)測(cè)，到2020年我國(guó)天然氣消費(fèi)量在3500億m3左右，需求缺口或?qū)⑼黄?00億m3?！笆濉逼陂g，開(kāi)展煤制氣項(xiàng)目升級(jí)示范，進(jìn)一步提高技術(shù)水平和示范規(guī)模，“十一五”期間國(guó)家已核準(zhǔn)的煤制氣項(xiàng)目要盡快達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)。因此，煤制天然氣項(xiàng)目日益受到政府重視。隨著國(guó)內(nèi)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和加強(qiáng)環(huán)保等政策的實(shí)施，國(guó)內(nèi)天然氣消費(fèi)市場(chǎng)將持續(xù)擴(kuò)張。

1 煤化工企業(yè)電氣系統(tǒng)特點(diǎn)概述

煤化工企業(yè)由于其生產(chǎn)產(chǎn)品特殊，具有易燃性和易爆性的特點(diǎn)，電氣系統(tǒng)可靠運(yùn)行是煤化工企業(yè)安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。煤化工電氣系統(tǒng)由于系統(tǒng)龐大，發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流一般為額定電流的十幾倍到幾十倍，給變壓器、發(fā)電機(jī)、斷路器、輸電線路等電氣設(shè)備造成很大危害，而目前較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的真空斷路器的開(kāi)斷能力均在40 kA以下，開(kāi)斷時(shí)間需要幾十毫秒。系統(tǒng)面臨短路電流已經(jīng)接近和達(dá)到負(fù)載真空斷路器的最大使用極限、負(fù)載側(cè)真空斷路器開(kāi)斷容量不足、變壓器抗短路電流沖擊能力設(shè)計(jì)不足等問(wèn)題，嚴(yán)重威脅著化工電氣系統(tǒng)安全運(yùn)行。

零損耗深度限制裝置，在電氣系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)可在7～15 ms內(nèi)將短路電流限制在原幅值50%以下，使系統(tǒng)所受到的短路沖擊大大降低，從而母線殘壓得到提高，維持設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提高電氣系統(tǒng)的安全、可靠性。

2 實(shí)例分析

以伊犁新天煤化工20NM3煤制天然氣項(xiàng)目為例，根據(jù)電氣系統(tǒng)一次圖，采用零損耗深度限流裝置，進(jìn)行短路電流分析、系統(tǒng)計(jì)算模型建立，確定零損耗深度限流裝置電抗器的參數(shù)。

2.1 一次系統(tǒng)圖

如圖1所示，35 kVⅠ段和Ⅲ段母線，各有12回出線，任一出線短路時(shí)，為了保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需35 kV母線電壓維持在額定電壓的70%以上，所以在24回出線處加裝限流裝置ZLB。由于出線處短路電流的共性，短路電流大小一樣，限流裝置ZLB參數(shù)一致，為了設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化，在圖1中每段僅標(biāo)識(shí)2臺(tái)限流裝置ZLB，用以代表整個(gè)系統(tǒng)的24臺(tái)限流裝置。

圖1 一次系統(tǒng)圖

2.2 系統(tǒng)母線殘壓要求

眾所周知，一般保護(hù)裝置從檢測(cè)、計(jì)算、發(fā)指令到開(kāi)關(guān)跳閘和切除故障需要100 ms左右的時(shí)間，在此期間，母線殘壓始終處于很低的工況。一般交流接觸在額定電壓70%能保持吸合，在額定電壓的50%～65%，40 ms以后將斷開(kāi)，電壓更低時(shí)，其維持合閘的時(shí)間將大幅縮短。而在煤化工中由于低壓交流接觸器的斷開(kāi)，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)煤化工系統(tǒng)事故停車，給煤化工企業(yè)會(huì)帶來(lái)次生事故和重大損失。因此，發(fā)生短路時(shí)，能在盡可能短的15 ms內(nèi)切除短路或限制短路電流，保持母線電壓維持在額定電壓的70%以上，是保證煤化工供電可靠性的關(guān)鍵。

2.3 電氣系統(tǒng)分析

2.3.1 等值阻抗圖見(jiàn)圖2

2.3.2 短路電流計(jì)算（表1）和存在的問(wèn)題

圖2 系統(tǒng)等值電抗圖

表1 短路電流計(jì)算 kA

2.4 限制短路電流方案對(duì)比

2.4.1 串聯(lián)電抗器方式

為了限制回路短路電流和維持母線電壓，通常在出線處需串聯(lián)限流電抗器。這種做法雖然可對(duì)短路電流加以限制，但存在諸多問(wèn)題，一是電抗器長(zhǎng)期串聯(lián)在線路中運(yùn)行，電力損耗嚴(yán)重，一臺(tái)三相35 kV，額定電流為1000 A、10%的常規(guī)電抗器（按年運(yùn)行8400 h）年損失電費(fèi)在90萬(wàn)元左右，這個(gè)損耗對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)是非常巨大的；二是降低發(fā)電機(jī)有功輸出；三是電抗器兩端口間會(huì)產(chǎn)生壓降，降低供電電壓質(zhì)量；四是電抗器存在漏磁場(chǎng)，產(chǎn)生電磁干擾。

由表1計(jì)算可知單臺(tái)電抗器每年損耗為94.19萬(wàn)元，本項(xiàng)目中有24臺(tái)電抗器，那么總年損耗為：24×94.15=2259萬(wàn)元，這個(gè)損耗是巨大的。

2.4.2 零損耗深度限流器（ZLB）

（1）原理圖見(jiàn)圖3。

圖3 零損耗限流器原理示意圖

（2）工作原理特征

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，本裝置限流單元部分，無(wú)電流通過(guò)，表現(xiàn)為無(wú)損耗、無(wú)壓降，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生漏磁場(chǎng)。

本裝置通過(guò)羅克線圈，監(jiān)視系統(tǒng)電流，當(dāng)短路電流大于設(shè)定的幅值，裝置發(fā)出跳閘指令，高速斷路器在7～15 ms內(nèi)跳開(kāi)，將短路電流換入到限流電抗器，將短路電流限制在原幅值50%以下，使電源系統(tǒng)所受的短路沖擊大大降低，保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)變壓器等電氣設(shè)備，同時(shí)將母線殘壓保持在用戶所需求的范圍內(nèi)，保證母線上其他負(fù)載正常運(yùn)行。

當(dāng)短路故障切除后，測(cè)控單元自動(dòng)檢測(cè)，立即給高速換流器開(kāi)關(guān)發(fā)出合閘命令，限流單元退出，系統(tǒng)即可恢復(fù)正常運(yùn)行。

（3）裝置特點(diǎn)

①動(dòng)作速度快

裝置能在系統(tǒng)發(fā)生短路的20 ms內(nèi)完成換流。渦流驅(qū)動(dòng)快速開(kāi)關(guān)能實(shí)現(xiàn)6 ms以內(nèi)分閘，20 ms以內(nèi)合閘。

②開(kāi)斷能力強(qiáng)

利用對(duì)快速斷路器觸頭剛分時(shí)間的合理控制，確保各相動(dòng)作均為臨界過(guò)零開(kāi)斷，使燃弧時(shí)間最小，大大增加了滅弧室的開(kāi)斷余量。

③使用壽命長(zhǎng)

渦流驅(qū)動(dòng)快速開(kāi)關(guān)相比普通短路器所使用的彈簧操作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件減少80%，且為簡(jiǎn)單的直線運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，磨損極小，機(jī)械壽命及可靠性大大提高。同時(shí)，裝置系過(guò)零開(kāi)斷，燃弧期間的燃弧量不到普通斷路器的10%，開(kāi)斷容量大大提高，觸頭灼燒小，觸點(diǎn)壽命呈級(jí)數(shù)上升。電抗器無(wú)短路時(shí)處于零損耗，不發(fā)熱、無(wú)壓降，使用壽命長(zhǎng)。

④性能高可靠

裝置核心部件即使在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下，仍能可靠運(yùn)行。同時(shí)，控制器帶有實(shí)時(shí)自檢功能，確保其始終可靠運(yùn)行，各功能信息均能發(fā)送至后臺(tái)報(bào)警監(jiān)控。

2.4.2 對(duì)比分析總結(jié)

根據(jù)上述分析，傳統(tǒng)串聯(lián)限流電抗器方案存在運(yùn)行損耗大、壓降、漏磁場(chǎng)等諸多不足之處。ZLB零損耗深度限流裝置，在保證限流效果的前提下彌補(bǔ)了上述不足，僅一次性投資，動(dòng)作后可自動(dòng)恢復(fù)，節(jié)能環(huán)保，收回設(shè)備采購(gòu)成本后，之后節(jié)能減耗的費(fèi)用均可視為企業(yè)的利潤(rùn)了。

2.5 ZLB裝置電抗參數(shù)計(jì)算

2.5.1 計(jì)算分析

根據(jù)一次系統(tǒng)圖1，為了使24個(gè)出線負(fù)荷側(cè)，任何一支出線發(fā)生短路故障時(shí)，不影響其他出線的正常供電，即要求系統(tǒng)在任何運(yùn)行方式下，任一支路出線發(fā)生短路時(shí)，確保35 kV母線電壓維持在額定電壓的70%以上，因此需要按系統(tǒng)最小運(yùn)行方式計(jì)算系統(tǒng)短路阻抗。

設(shè)X0為系統(tǒng)側(cè)阻抗標(biāo)幺值，X1為加裝ZLB的阻抗標(biāo)幺值，如果想保持母線殘壓達(dá)到70%，則X1/（X0+X1）=70%，則可得X1=2.33X0。

2.5.2 系統(tǒng)計(jì)算模型

系統(tǒng)計(jì)算模型圖見(jiàn)圖4。

圖4 限流計(jì)算模型圖

我們以系統(tǒng)最大方式和最小方式下計(jì)算如表2、表3，以確定最佳投入阻抗值。

表2 電抗率為10%時(shí)阻抗值計(jì)算

表3 電抗率為17%時(shí)阻抗值計(jì)算

通過(guò)以上的分析、計(jì)算得出的需要投入的阻抗有名值為X1=3.4353 Ω，在短路發(fā)生時(shí)投入工作，將短路電流限制在預(yù)期短路電流的50%以下，將短路電流大大降低，變壓器免受巨大的短路電流沖擊，母線電壓維持在70%以上，保證了煤化工系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3 零損耗深度限流裝置動(dòng)作的實(shí)際案例

2015年7月7日11時(shí)11分25秒，35 kV的一個(gè)饋線回路深度限流裝置動(dòng)作，同時(shí)聯(lián)跳該饋線回路開(kāi)關(guān)。動(dòng)作前系統(tǒng)運(yùn)行方式為：110 kV I、II段并列運(yùn)行；35 kV I、II、III段并列運(yùn)行。系統(tǒng)圖見(jiàn)圖1。故障濾波圖見(jiàn)圖5。故障回路開(kāi)關(guān)變位圖見(jiàn)圖6。

圖5 故障濾波圖

圖6 故障回路開(kāi)關(guān)變位圖

錄波圖顯示短路前35 kV系統(tǒng)電壓ABC相均為62 V，無(wú)零序電壓；短路后C相電壓為0，AB相電壓升高為107 V，同時(shí)出現(xiàn)零序電壓。由此可斷定C相接地。限流裝置顯示BC相短路。根據(jù)濾波圖分析事故原因如下：饋線回路電纜的C相絕緣損傷導(dǎo)致其金屬性接地，由于其余兩相對(duì)地電位的升高在絕緣薄弱處B相擊穿對(duì)C相閃絡(luò)放電，最終導(dǎo)致B、C相間短路接地產(chǎn)生很大的短路電流（與現(xiàn)場(chǎng)故障電纜情況完全符合），超過(guò)限流裝置定值，從濾波圖的時(shí)間表查得在B、C相短路接地7 ms限流裝置動(dòng)作投入電抗器，將短路電流限制在很低值，維持35 kV系統(tǒng)母線電壓，并連跳故障回路開(kāi)關(guān)，約70 ms回路開(kāi)關(guān)跳開(kāi)，將故障線路切除，保證了系統(tǒng)正常運(yùn)行。ZLB零損耗深度限流裝置在短路發(fā)生時(shí)裝置快速投入加大了系統(tǒng)內(nèi)抗，故障點(diǎn)切除后，深度限流電抗器退出，不影響整個(gè)煤化工系統(tǒng)的正常運(yùn)行，在保證限流效果的前提下，又避免損耗及維護(hù)費(fèi)用，既滿足了電氣系統(tǒng)母線電壓在短路情況下殘壓的要求，又滿足對(duì)限流裝置的節(jié)能環(huán)保、安全可靠要求，是最佳節(jié)能和最經(jīng)濟(jì)有效的限流方案，是煤化工配電系統(tǒng)提高供電可靠性與穩(wěn)定性的最佳選擇。

4 結(jié)束語(yǔ)