大容量高速开关组合保护装置在锅炉脱硫系统中的应用

孙东杰

（连云港碱厂，江苏 连云港 222042）

1 锅炉脱硫装置电力设备运行状况

连云港碱厂热电车间属于企业自备发、配电单位，配备两台发电机，通过两台主变与外电网连接，负责全厂电力供应，该厂于2014年10月投运脱硫装置，大体系统接线及主要设备参数如下：1＃、2＃主变：额定容量Se＝8MVA、额定电压35／6.3kV、阻抗电压UI－II＝7.16% ，1＃发电机：额定容量Se＝6MW、额定电压6.3kV、超瞬变电抗 Xd＝12.39%，2＃发电机：额定容量Se＝15MW、额定电压6.3kV、超瞬变电抗Xd＝11.19%，限流电抗器：XKGKL－6.3－1000－8。脱硫装置负载情况：6 kV断路器开断容量31.5kA、最大负载变压器容量1 250kVA 1台、最大负载电动机功率560kW、所带电动机总容量2 360kW、基准容量Sj＝100 MVA。35kV系统：最大运行方式0.300 9、最小运行方式0.322 3，6kV电压级的基准电流Ij＝100／／6.3＝9.16kA，主6kV母线至脱硫装置母线电缆长度0.3km。发电机和变压器的电抗标幺值归算到基准值为：1＃、2＃主变：X2＝X3＝0.071 6×100／8＝0.895，1＃发电机 X6＝0.123 9×100／（6／0.80）＝1.652，2＃发电机 X5＝0.111 9×100／（15／0.80）＝0.596 8，限流电抗器的电抗标幺值归算到基准值为 X4＝0.08×（6.3／1）×（100／6.32）＝0.733，电缆线路的电抗标幺值归算到基准值为6kV，电力电缆线路每公里电抗值按照0.08Ω估算，X7＝0.08×0.3×（100／6.32）＝0.06。

图1 一次系统图

短路时的短路电流，阻抗等值电路见图2。

图2 短路阻抗图

短路电流的计算：

标幺值计算：K1短路点短路电流为IK＝17.7 kA，预期短路电流峰值［3］为IMAX＝×17.7＝25 kA；K2短路点短路电流为IK＝23.6kA，预期短路电流峰值［3］为IMAX＝×23.6＝33.38kA。

2 系统存在的问题

脱硫Ⅰ段和脱硫Ⅱ段所带负载较复杂，有变压器、高压电动机等。另主6kV带有自备发电机，在脱硫Ⅰ段或脱硫Ⅱ发生短路时，发电机会跳闸，主6 kV母线电压可能会解列。断路器开断故障时间长（至少60ms），在脱硫系统发生短路时，即使保护正确动作，从短路到切除故障至少80～100ms，发电机也会遭受短路电流的冲击并跳闸。

3 采用SHK－FSR大容量高速开关组合保护装置

3.1 SHK－FSR大容量高速开关组合保护装置

SHK－FSR的一次系统由载流桥体FS、高压限流熔断器FU和氧化锌非线性电阻FR构成，测量CT、脉冲变压器、计算机测控箱构成SHK－FSR的测控系统。正常工作电流由FS承载，一旦发生短路，测控系统控制FS使之在数微秒内开断，短路电流转移到限流熔断器FU中，FU快速熔断限流，FU的弧压使氧化锌非线性电阻FR导通，限制过电压并吸收剩余能量。SHK－FSR的动作及限流特性见图3。

由于SHK－FSR动作快，在短路电流上升的起始阶段就已被截流，可使最大短路冲击电流及与系统热稳定有关的I2t大大降低，使系统的动稳定和热稳定裕度大大提高。

图3 SHK－FSR的动作及限流特性

3.2 SHK－FSR解决方案

在脱硫Ⅰ段和脱硫Ⅱ段加装大容量快速开关装置SHK－FSR，其开断电流可达到160kA，且操作简单、可靠性高。一旦短路故障发生，SHK－FSR在1ms之内截流，3ms之内开断，在电流上升的起始阶段即将短路电流加以限制（少于2ms）。

系统中原脱硫I段和脱硫II段的真空断路器与SHK－FSR串联，真空断路器只承担正常负荷投切操作、过载保护。当系统短路时，短路电流由SHK－FSR瞬间开断。

3.3 SHK－FSR的参数设计

3.3.1 脱硫I段SHK－FSR1的额定参数

1）额定电流Ie

按照最大负荷考虑，变压器1 250kVA 1台，电动机总容量2 360kW，负荷电流IN1＝（2 360÷0.8＋1 250）÷6.3÷1.732＝385A。考虑并留有30%的裕度，Ie≥1.3×IN1＝500A。SHK－FSR1的额定电流选为Ie＝1 000A。

2）SHK－FSR1的动作电流Idz

①动作电流的上限Idz－s

考虑SHK－FSR1动作电流的正误差和真空断路器开断电流（31.5kA）的负误差，SHK－FSR的动作电流Idz应小于真空断路器额定开断电流Ikd的70%：Idz－s≤0.7Ikd＝22kA。

② 动作电流的下限Idz－x

动作电流不小于厂用变压器空载合闸时的激磁涌流：Idz－x≥1.5×12IN1＝2.1kA，动作电流不小于电动机的启动电流：Idz－x≥7×270＝1.89kA。取动作电流Idz＝10kA。

3）SHK－FSR1的启动电流

系统最大运行方式下，高压侧短路电流Ik流过SHK－FSR1时，装置的运算时间不应小于160ms（式中IN1为厂变一次侧额定电流），取ILimt＝5kA。

4）SHK－FSR1的电流变化率

大容量快速开关装置的动作电流波形如图3中的曲线4所示，动作电流曲线的表示为i＝iLimit对应的时间：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的动作条件

SHK－FSR1的动作取决于电流启动值iLimit（图2中的曲线3）、电流变化率di／dt（图3中的曲线5），只有在两者同时超过整定值时，SHK－FSR1才会动作。

6）SHK－FSR1的截流时间和截止电流

7）FU的参数

熔断器FU的额定电流：Ik＝17.7kA和ip＝11kA。

8）FR的参数

取FR残压Uc＝ 2.5×1.15×UΦN＝14.8kV以保证变压器不受高电压的冲击。

3.3.2 脱硫Ⅱ段SHK－FSR2的额定参数

1）额定电流Ie

按照最大负荷考虑，变压器1 250kVA 1台，电动机总容量：2 360kW，负荷电流IN1＝（2 360÷0.8＋1 250）÷6.3÷1.732＝385A，考虑并留有30%的裕度，Ie≥1.3×IN1＝500A。SHK－FSR2的额定电流选为Ie＝1 000A。

2）SHK－FSR2的动作电流Idz

①动作电流的上限Idz－s

考虑SHK－FSR动作电流的正误差和真空断路器开断电流（31.5kA）的负误差，SHK－FSR的动作电流Idz应小于真空断路器额定开断电流Ikd的70%：Idz－s≤0.7Ikd＝22kA。

②动作电流的下限Idz－x

动作电流不小于厂用变压器空载合闸时的激磁涌流Idz－x≥1.5×12IN1＝2.1kA，动作电流不小于电动机的启动电流Idz－x≥7×270＝1.89kA。取动作电流Idz＝12kA。

3）SHK－FSR2的启动电流

系统最大运行方式下，高压侧短路电流Ik流过SHK－FSR2时，装置的运算时间不应小于160ms（式中IN1为厂变一次侧额定电流），取ILimt＝6kA。iLimt＝ 6kA＝8.48kA。

4）SHK－FSR2的电流变化率

大容量快速开关装置的动作电流波形如图2中的曲线4所示，动作电流曲线的表示为，i＝iLimit对应的时间：di／dt＝×12×314×cos18×t，t＝arcsindi／dt＝4.6kA／s。

5）SHK－FSR2的动作条件：

6）SHK－FSR2的截流时间和截止电流

7）FU的参数

SHK－FSR2的动作取决于电流启动值iLimit（图3中的曲线3）、电流变化率di／dt（图3中的曲线5），只有在两者同时超过整定值时，SHK－FSR才会动作。

熔断器FU的额定电流：Ik＝23.6kA和ip＝14.4kA。

8）FR的参数

取FR残压Uc＝2.5×1.15×UΦN＝14.8kV以保证变压器不受高电压的冲击。

4 结 语

目前连云港碱厂在锅炉脱硫电力系统中已采用大容量高速开关组合保护装置，即便脱硫I段或脱硫Ⅱ段发生短路，大容量高速开关组合保护装置可以实现在1ms之内截流，3ms之内开断短路电流。在很大程度上避免因此而产生的发电机跳闸乃至主6kV母线解列这类重大电气事故，提高企业内部电网安全稳定性，保证生产系统的连续稳定。

［1］ 王仁祥.电力新技术概论［M］.北京：中国电力出版社，2009

［2］ 傅知兰.电力系统电气设备选择与实用计算［M］.北京：中国电力出版社，2004

［3］ 刘介才.工厂供电设计指导［M］.北京：机械工业出版社，2003