快速開關型限流器在工業(yè)中的應用

李 剛

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

0 引言

在工業(yè)配電系統(tǒng)設計中，短路電流是重要的設計參數(shù)，系統(tǒng)短路電流過高將導致設備和導體的成本飆升，同時也會對配電系統(tǒng)的安全運行造成影響[1]。采用合理的措施對短路電流加以限制對于控制成本及保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行尤為重要。設置限流電抗器[2]是最為常見的限流方法，然而由于其增加運行能耗、導致運行電壓降及占地面過大等缺點，使得其在工程中的應用受到很大限制。

隨著快速開關[3]技術的發(fā)展和成熟，以其為基礎的快速開關型限流器[4-5]得到越來越多的應用，相比于傳統(tǒng)的限流電抗器，其優(yōu)勢在于正常運行過程中不產(chǎn)生電能損耗、無運行壓降、占地空間小且參數(shù)設計更為靈活。然而其相對復雜的運行方式也給設計增加了難度，一個合理的設計需要在限流深度、繼電保護配合和母線殘壓等多方面加以權衡和考慮，由于現(xiàn)有電氣設計手冊和規(guī)范尚缺乏相應的設計指導和參考示例，實際應用中不乏存在設計不當?shù)那闆r。

本文從快速開關型限流電抗器的原理和特性出發(fā)，分析了其優(yōu)缺點，指出了及在設計中需注意的問題，給出了系統(tǒng)性的設計流程，最后通過具體工程設計實例對設計流程進行了詳細說明。

1 快速開關型限流器工作原理與特性

快速開關型限流器結構圖如圖1所示[4]，其主要由快速開關、限流電抗器和控制器構成。其中快速開關采用電磁斥力結構的操縱機構，可在5 ms內完成快速分閘，在10 ms內完成合閘?？刂破鞑捎每焖僮R別算法，可在2 ms內快速完成短路故障判斷并迅速分閘。

系統(tǒng)的工作原理是：正常運行時，快速開關保持合閘狀態(tài)使得限流電抗器保持退出狀態(tài)；當短路故障發(fā)生時，快速開關快速開斷，限流電抗器在15 ms內完成投入，短路電流得到限制；故障切除后，控制器通過檢測母線電壓回升實現(xiàn)自動合閘，電抗器回到退出狀態(tài)，系統(tǒng)恢復正常運行。

圖1 快速開關型限流器結構圖

由其運行原理可知，快速開關型限流器具有以下優(yōu)點：

(1)參數(shù)選擇范圍廣，可實現(xiàn)深度限流。由于電抗器在正常運行過程中并不投入，故無需考慮運行損耗和運行壓降問題，限流器可安裝于主變壓器出線處，并采用較大的限流電抗值來大幅度限制短路電流。

(2)由于電抗器只在故障期間短期投入，選型上只需考慮短時通流耐受能力而無需考慮持續(xù)運行電流，故電抗器的體積大大減少。

相比于傳統(tǒng)限流電抗器限流方式，快速限流器在設計過程需特別考慮以下問題：

(1)繼電保護配合問題。由于快速開關需要在15 ms內完成快速故障判斷和分閘，其動作時間遠小于常規(guī)回路動作時間，故其在動作時間上無法與下游回路構成級差，只能通過合理選擇其動作值來盡可能保證選擇性。

(2)電壓暫降問題。對于限流器設于主變壓器出線的情況，當限流器動作時，由于電抗器阻抗的分壓作用，會導致母線殘壓急劇跌落，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。對此需考慮母線殘壓計算，并根據(jù)需要采取相應的措施，如在饋線回路采用快速開關快速隔離故障，或在饋線回路加裝限流器提高殘壓等。

圖2 主接線及短路計算結果1

2 基于快速開關型限流器的設計

如前述，快速開關型限流器在設計上需考慮多種因素，需要將其視為一個系統(tǒng)工程，綜合考慮工程需要、運行方式、繼電保護配合和電能質量等因素，并結合電力系統(tǒng)建模和計算，以得到最佳方案。為指導相關設計，提出下述設計流程，并結合設計實例加以說明。

(1)根據(jù)配電方案和運行方式，對電力系統(tǒng)建模并進行短路電流計算。

(2)根據(jù)短路電流計算結果，確定快速限流器安裝位置和限流目標，估算限流電抗器的阻抗。

(3)對限流器限流后的短路電流進行計算，根據(jù)結果調整和確定電抗器阻抗。

(4)結合限流要求和繼電保護選擇性要求，確定快速開關的動作值。

(5)計算各饋線回路末端短路時的主母線殘壓，對于不滿足要求的回路，使用快速開關或加裝快速限流器等方法加以限制。

(6)根據(jù)最終確定的配電方案進行建模和電氣計算，驗證系統(tǒng)短路電流、繼電保護選擇性及母線殘壓。

鑒于設計過程中需要反復計算短路電流和調整參數(shù)，推薦使用專業(yè)的電力系統(tǒng)計算軟件工具，如ETAP來輔助設計。

3 設計實例

本節(jié)通過一個工程設計實例來說明快速開關型限流器的設計流程。

某工程采用ETAP軟件進行建模后主接線如圖2所示，已知該工程兩臺主變壓器采用分列運行方式。經(jīng)分析當工作方式為母聯(lián)開關DL21合閘，進線DL4分閘時系統(tǒng)短路電流最大，采用ETAP軟件進行短路電流計算，結果如圖2所示。

(1)電抗器初值選取

綜合考慮設備選型、導體選擇的經(jīng)濟性和未來擴展性，工程擬將10 kV系統(tǒng)最大短路電流限制在25 kA以下。

由圖2可知，10 kV母線最大短路電流為33.657 kA，大于工程要求的25 kA，為限制短路電流，分別在兩臺主變壓器的低壓側斷路器DL2和DL4下端設置快速開關型限流器。

如圖知，10 kV母線短路電流由電網(wǎng)電流(25.581 kA)和電機反饋電流(8.08 kA)兩部分構成，其中反饋電流無法改變，為了將總電流保持在25 kA以下，需將電網(wǎng)電流限制在：25.581-(33.657-25)=16.924 kA。

采用ETAP軟件進行計算，得到電抗器取值為0.14 ohm時，電網(wǎng)提供的短路電流可限制在16.64 kA，此時母線最大短路電流為24.6 kA，滿足工程要求。

(2)快速開關動作值選取

由圖2可知，10 kV配電站1和2的最大短路電流分別為12.501 kA和10.005 kA，小于限值25 kA，故10 kV配電站站內短路時無需限流器投入，此時應上下級保護的選擇性。考慮快速開關控制器10%的動作誤差，滿足選擇性要求時，要求其動作值Idz>1.1×12.5=13.75 kA；滿足限流要求時，要求其動作值Idz<1/1.1×16.64=15.13 kA；綜合得到：13.75 kA

(3)母線殘壓校驗

各10 kV饋線回路末端發(fā)生短路時，10 kV母線殘壓計算如表1所示。由表1可知，DL5和DL10回路末端發(fā)生故障時，由于限流電抗器的投入使得母線殘壓急劇降低，分別只有1.5%和15.8%，遠低于70%的常規(guī)要求。為避免母線殘壓過低造成影響，將DL5和DL10回路開關更換為快速開關，使其在15 ms內快速切除短路故障。

表1 母線殘壓計算表

(4)最終配置及計算

最終的快速開關和限流電抗器參數(shù)如表2所示，系統(tǒng)建模和短路電流計算結果如圖3所示?？?/p>

表2 快速開關及限流電抗器定值表

知通過上述設計流程，短路電流、繼電保護配合和母線故障殘壓問題皆得到了很好的解決，系統(tǒng)可靠性得到了最大保障。

圖3 主接線及短路計算結果2

4 結語

快速開關型限流器具有不產(chǎn)生運行能耗、運行壓降及占地面積小等優(yōu)點，在工業(yè)配電中有著廣闊的應用前景。然而其設計過程較為復雜，需要綜合考慮系統(tǒng)運行方式、限流深度、繼電保護和電能質量等多種因素，如設計不當，不但無法起到相應的效果，反而會對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行造成影響。本文提出的設計流程和工程實例為該類設計提供了指導，將促進該技術在工程中獲得更為廣泛和成功的應用。