35kV線路加裝限流電抗器選型的簡要分析

山西北方銅業(yè)股份有限公司動能分公司 王國光

北方銅業(yè)熱電廠（現(xiàn)更名山西北方銅業(yè)運城動能分公司）是中條山集團公司自備電廠，兩臺4×12MW發(fā)電機組（供暖期間機組由于同時供汽和供熱，供電量只能達到7～10MW），由于小機組的煤耗過高、再加之環(huán)保各項指標(biāo)的提高、促使發(fā)電成本的增加。

為減少虧損，熱電廠采取的措施為單機組運行或只供熱運行。對十七回直配出線總負荷達32MW～43MW的供電量基本上采取以網(wǎng)購為主。這樣的運行方式兩臺25MVA的變壓器正常運行顯得尤為重要。但近幾年兩臺主變在雷雨季節(jié)頻繁跳閘，甚至出現(xiàn)了燒毀變壓器的嚴重事故。跳閘及燒毀均系35kV系統(tǒng)兩相短路引起，短路電流超過變壓器中壓側(cè)所能承受的短路電流是導(dǎo)致變壓器損壞的根本要因。

1 限流電抗器串接方式及安裝地點的選擇及短路電流值的確定

1.1 限流電抗器串接方式及安裝地點位置的確定

由于35kV線路負荷不是很大、在6000KW左右，因此兩臺主變35kV中壓側(cè)（變壓器中壓側(cè)容量為12500kVA）平時只投運一臺，限流電抗器串接方式及安裝地點位置的確定方案如下。

方案一：從保護變壓器的角度來考慮，限流電抗最佳安裝位置應(yīng)選在變壓器中壓出線側(cè)附近。這樣不但可以限制任意出線回路發(fā)生故障時產(chǎn)生的短路電流，還可以限制35kV變電室母刀、母線等設(shè)備發(fā)生短路故障時產(chǎn)生的短路電流。由于有兩個35kV出線出線間隔，需安裝兩組限流電抗器，分別串接在兩臺主變中壓側(cè)301、309出線架空線路上。該方案占地面積大、投資大。

方案二：由于35kV系統(tǒng)電源是一用一備，可將兩個35kV出線可共用一組限流電抗器，但需加裝投切裝置。該方案優(yōu)點：與方案一一樣保護范圍大；投資較方案一少。缺點：由于該站為70年代所建站，無安裝空間。

方案三：該站35kV線路多年來只有一回306線路在投運狀態(tài)，并且線路距離總長20公里，途徑山地、丘嶺、村莊、田地、樹林，多年來均是該線路造成的短路事故，另一回310線路僅有1公里左右的距離且未投運。306線路出線處有足夠的空間且施工簡單，只需安裝1組限流電抗器，無需其它電氣裝置、投資少。

三個方案比較：方案一與方案二的優(yōu)點是保護范圍大，缺點是占地面積大、投資大。由于該站為70年代所建站，無方案一和二所需要的空間，因此否決了方案一和方案二。方案三優(yōu)點是安裝簡單，占地面積少、投資少，缺點是保護范圍小，只能限制該線路發(fā)生短路故障時的短路電流。35kV配電系統(tǒng)中所有回路的出線套管、母線及母線瓷瓶、母刀等設(shè)備未在保護范圍內(nèi)。需加強該系統(tǒng)的春防、秋檢工作，以及該配電系統(tǒng)所有設(shè)備的日常維護保養(yǎng)工作，盡量杜絕短路事故的發(fā)生。

通過以上分析，限流電抗器串接在306架空線路上，距離306出線套管20米距離處。

1.2 短路電流限制值的確定

依據(jù)跳閘事故記錄數(shù)據(jù)得出短路電流為4kA時變壓器已損壞，同時咨詢廠家變壓器中壓35kV側(cè)所能承受的最大短路電流為多少，由于廠家不具備此類試驗條件無法得知，只好調(diào)出跳閘變壓器未損壞時故障數(shù)據(jù)，查近幾年的故障記錄短路電流為2kA時變壓器未被損壞。因此決定將3535kV側(cè)短路電流限制到2kA以內(nèi)，可保證變壓器安全可靠運行。首先要計算變壓器中壓側(cè)三相短路電流為多大，方能確定限流電抗器的電抗率。

2 限流電抗器參數(shù)選型確定原則及限流電抗器參數(shù)的確定

306線路供電所的用戶為水泥廠、新水源頭泵站及3#～6#泵站。目前水泥廠現(xiàn)有負荷在2.5MW左右，加上源頭泵站、3#～6#泵站共5個站總負荷3.5MW左右，且泵站改造可能性很低，按總負荷6MW計算；熱電廠做為電源側(cè)，35kV側(cè)提供電壓在38kV以上；306線路從熱電廠到終端采用架空線為LGJ120/20，電源到水泥廠20km，水泥廠到源頭泵站11km；在負荷增加可能性不大情況下，在滿足容量及壓降情況下限制短路電流控制在2kA以下。

2.1 系統(tǒng)、發(fā)電機及變壓器參數(shù)的確定

系統(tǒng)容量按100MVA計算；35kV側(cè)負荷不大，正常運行時只有一臺主變35kV側(cè)投入運行，所以只考慮一臺變壓器。

表1 110kV系統(tǒng)、發(fā)電機等設(shè)備參數(shù)及電抗標(biāo)么值

2.2 35kV母線短路電流計算結(jié)果[1]

地區(qū)電網(wǎng)和發(fā)電機并列標(biāo)么值：0.4993×0.622/(0.4993+0.622)=0.277；到35kV母線總阻抗標(biāo)么值：X＊=0.277-0.0092=0.2678≈0.268；地區(qū)電網(wǎng)支路的分布系數(shù)：0.277/0.4993=0.555；發(fā)電機支路的分布系數(shù)：0.277/0.622=0.445、0.268/0.555=0.483、0.268/0.445=0.602；地區(qū)電網(wǎng)提供35kV側(cè)短路電流：35kV側(cè)基準(zhǔn)容量100MVA，基準(zhǔn)電流為100/（37×1.732）＝1.56kA，I"=1.56/0.483=3.23kA。

發(fā)電機等值電抗換算到發(fā)電機容量為基準(zhǔn)時標(biāo)么值：Xc=0.602×18/100=0.11，根據(jù)汽輪發(fā)電機運算曲線（一）查得t=0秒時電流標(biāo)么值9.2kA，換算到基準(zhǔn)電壓37kV側(cè)發(fā)電機額定電流Irg=18/(1.732×37)=0.281kA。發(fā)電機提供短路電流：Ig"=9.2×0.281=2.58kA，35kV母線總的短路電流：3.23+2.58=5.81kA，參數(shù)計算標(biāo)么值如圖1。

圖1 參數(shù)計算標(biāo)么值

2.3 相關(guān)計算

在306線路短路故障情況下，將35kV母線短路電流限制為2kA以內(nèi)，計算限流電抗器的電抗百分率、電壓損失等參數(shù)計算情況。

2.3.1 電抗器百分率計算

若將短路電流限制到2kA，總阻抗標(biāo)么值X＊=100/（2×1.732×37）=0.7802，則電抗器標(biāo)么值應(yīng)為：X＊=0.7802-0.268=0.512。電抗器容量按變壓器35kV側(cè)額定容量計算，其額定電壓38.5kV，額定電流187A，按其80%運行，電抗器額定電流選187×80%=150A。但考慮到實際運行最大電流為100A，選用120A較為合理。由電抗器標(biāo)么值公式X＊=X%UeIj/100IeUj，其中X%為電抗率、Ue為額定電壓(熱電廠出口電壓為38.5kV)、Uj為基準(zhǔn)電壓為37kV，Ij基準(zhǔn)電流為公式100/(1.732Uj)，其中Uj為基準(zhǔn)電壓、37kV,得出Ij為1.56kA。

結(jié)論：電抗器的百分數(shù)應(yīng)為X%=X×100IeUj/UeIj=(0.512×100×0.12×372×1.732)/（38.5×100）=3.78，選4%。

2.3.2 35kV母線短路電流計算

選用電抗器百分數(shù)為4%，額定電流為150A時計算情況：此時電抗器標(biāo)么值X＊=X%UeIj/100IeUj,其中Ij=100/Uj（其基準(zhǔn)容量以100MVA進行計算），則有X＊=X%Ue/1.732×IeUj2=(4×38.5×100)/(1.732×37)/(100×0.12×37)=0.541，則地區(qū)電網(wǎng)和發(fā)電機并列標(biāo)么值0.4993×0.622/(0.4993+0.622)=0.277，到35kV母線總阻抗標(biāo)么值X＊=0.277-0.0092+0.541=0.8088≈0.809，其地區(qū)電網(wǎng)支路的分布系數(shù)為0.277/0.4993=0.555，發(fā)電機支路的分布系數(shù)為0.277/0.622=0.445、0.809/0.555=1.458、0.809/0.445=1.818；地區(qū)電網(wǎng)提供短路電流：35kV基準(zhǔn)容量100MVA，基準(zhǔn)電流1.56kA，I＂=1.56/1.458=1.07kA。

發(fā)電機等值電抗換算到發(fā)電機容量為基準(zhǔn)時標(biāo)么值Xc=1.818×18/100=0.33，根據(jù)汽輪發(fā)電機運算曲線（一）查得t=0秒時電流標(biāo)么值3.2kA，換算到電壓37kV側(cè)發(fā)電機額定電流Irg=18/(1.732×37)=0.281kA，發(fā)電機提供短路電流Ig＂=3.2×0.281=0.899kA。結(jié)論：35kV母線短路電流1.07+0.899=1.969。選擇額定電壓為38.5kV、額定電流為150A，電抗率為4%的電抗器可將該側(cè)的短路電流限制在2kA范圍內(nèi)。

2.3.3 電壓損失百分數(shù)校驗(允許值在5%以內(nèi))

ΔUL(%)=XL(%)sinφImax/IN(%)≤5%，Imax通過最大電流：若只是水泥廠運行，實際電流最大45A，近三年來為該運行方式，若泵站（最大負荷按3500kVA計算）也投入運行則最大電流為100A。其中IN為電抗器額定電流，sinφ一般取0.6。目前運行情況下（即只帶水泥廠負荷）電壓損失計算：ΔUL(%)=4×45×0.6/120=0.9%＜5%、在范圍內(nèi)。若泵站也投入運行，電壓損失計算：則ΔUL(%)=4×100×0.6/120=2%＜5%、在范圍內(nèi)。

2.3.4 電壓壓降計算

在只帶水泥廠負荷情況下：到線路終端電壓降為：306線路為LGJ120/20，從電源到水泥廠按20km計算。依據(jù)《工業(yè)民用配電手冊》，當(dāng)功率因數(shù)為0.85情況下，35kV線路電壓損失為0.043%/MW.km。則該水泥廠的壓降為ΔU＝0.043%×20×2.5×38.5=0.828kV，則到水泥廠終端壓降為：38.5×(1-0.9%)-0.828=37.3kV、滿足線路電壓要求。向水泥廠了解了一下，當(dāng)其運行電流為40A時我廠306電壓為38.5kV，水泥廠實際運行進線電壓37.79kV、實際壓降710V，計算壓降為0.043%×20×2.3×38.5=761V。接近于計算值。

水泥廠和黃河水源同時啟動情況下（總負荷6MW）：到水泥廠電壓降為ΔU＝0.043%×20×6×38.5=1.99kV，水泥廠終端電壓為38.5×(1-2%)-1.99=35.7kV、滿足線路電壓要求。從水泥廠到源頭(泵站總負荷按3.5MW、長度11km計算)壓降為ΔU＝0.043%×11×3.5×38.5=0.64kV，源頭泵站終端電壓為35.7-0.64=35.06kV、完全滿足線路電壓要求。

結(jié)論：從上述計算情況來看，選額定電流為120A、電抗率為4%的電抗器能夠滿足電壓降的要求，能將短路電流限制到1.969kA，小于2kA，滿足了要求。

2.4 電抗器參數(shù)的選擇

限流電抗器電抗率選擇3%比4%損耗小點，若電抗率為3%時能短路電流要求。選擇電抗率為3%的電抗器會更加經(jīng)濟。計算額定電流按120A，電抗率3%時能否滿足短路電流的要求，電抗器標(biāo)么值X＊=X%UeIj/100IeUj=X%Ue/1.732×IeUj2=(3×38.5×100)/(1.732×37)/(100×0.12×37)=0.406，其地區(qū)電網(wǎng)和發(fā)電機的并列標(biāo)么值0.4993×0.622/(0.4993+0.622)=0.277，其到35kV母線的總阻抗標(biāo)么值X＊=0.277-0.0092+0.406=0.6738≈0.674，地區(qū)電網(wǎng)支路的分布系數(shù)為0.277/0.4993=0.555，發(fā)電機支路的分布系數(shù)：0.277/0.622=0.445、0.674/0.555=1.214、0.674/0.445=1.515。

地區(qū)電網(wǎng)提供短路電流：35kV側(cè)基準(zhǔn)容量100MVA，其基準(zhǔn)電流1為.56kA，I"=1.56/1.214=1.29kA。發(fā)電機等值電抗換算到發(fā)電機容量為基準(zhǔn)時標(biāo)么值：Xc=1.515×18/100=0.27，根據(jù)汽輪發(fā)電機運算曲線（一）查得t=0秒時，電流標(biāo)么值4kA，換算到電壓37kV側(cè)發(fā)電機額定電流Irg=18/(1.732×37)=0.281kA。發(fā)電機提供短路電流Ig＂=4×0.281=1.124kA，35kV母線短路電流1.29+1.124=2.414kA。

結(jié)論：從上述計算情況來看，選額定電流為120A、電抗率3%的電抗器地短路電流限制為2.414kA，不在2kA要求之內(nèi)，因此不能選擇電抗率為3%的電抗器。

2.5 電抗器參數(shù)的最終確定

從以上分析可得出：選用電額定壓38.5kV、額定電流120A、電抗率4%的限流電抗器最為合理。電抗器接線方式的選擇：電抗器要串接在已有架空線路上，因此需選用戶外裝置，三組疊式的，進出線端子夾角為180°的接線方式。