旁路限流电抗器在发供电系统中的应用

吕 欣，伯天江，吕 俊

引言

随着冶金工业的高速发展，大中型冶金企业推行节能减排、循环经济、降本增效的经营理念，投运了富余煤气锅炉发电、余热蒸汽发电和TRT煤气压力发电等余热余能再利用发电项目，为形成规模效益、提高产能而新扩建烧结主抽风机、高炉电动鼓风机等项目，发电机并网运行和大功率电动机短路反馈增大系统短路电流，造成既有断路器短路开断能力不足，不能有效开断故障短路电流，导致保护装置越级跳闸甚至故障处断路器爆炸的隐患事故发生，发供电系统存在很大的安全隐患，应用旁路限流电抗器可较好地解决这个问题。

1 某企业发供电系统概况

1.1 发供电结构

如图1所示，正常工况下，66 kV工铁一线带1#主变及6 kVⅠ段母线运行，66 kV工铁二线带2#主变及6 kVⅡ段母线运行，为避免形成励磁环网，66 kV和6 kVⅠ段与Ⅱ段母线均解列运行，130 t锅炉发电站25 MW发电机组并网于66/6 kV总降变电站2#主变压器所带6 kVⅡ段母线，为防止25 MW发电机组有功功率倒送地区电网，造成功率穿越运行，将180平烧结工序主抽风机7400 kW电动机、1#高炉鼓风机7100 kW电动机和 2#高炉鼓风机10500 kW电动机等大功率稳定用电负荷倒闸至2#主变压器6 kVⅡ段母线供电，增加2#主变压器用电负荷。

2.2 主要设备参数

（1）130 t锅炉发电站25 MW发电机组参数：

图1 发供电结构示意图

型号：QFW-25-2；

额定功率：25 MW；

功率因数：0.8；

额定电压：6.3 kV；

额定电流：2863.92 A；

同步电抗（Xd）：1.8955；

同步次暂态电抗（X″d）：0.1094。

（2）66/6 kV总降变电站1#和2#变压器参数：型号：SZ11-31500/66；

一次主分接：66 kV/275.6 A；

二次：6.6 kV/2755.6 A；

容量：31500 kVA；

阻抗电压：9.09%。

（3）66/6 kV总降变电站6 kV馈出线断路器参数：

产品型号：ZN65A-EP；

额定电压：12 kV；

额定短路开断电流：40 kA；

额定电流：630 A。

（4）180平烧结主抽风机7400 kW电动机参数：

型号：TD-7400-6；

额定功率：7400 kW；

功率因数：0.9；

额定电压：6.3 kV；

额定电流：753.53 A。

（5）1#高炉鼓风机7100 kW电动机参数：

型号：YGF800-4；

额定功率：7100 kW；

功率因数：0.8；

额定电压：6.3 kV；

额定电流：813.35 A。

（6）2#高炉鼓风机10500 kW电动机参数：

型号：YGF1000-4；

额定功率：10500 kW；

功率因数：0.8；

额定电压：6.3 kV；

额定电流：1202.85 A。

1.3 短路电流

采用标幺值法计算，暂不考虑大功率电动机反馈短路电流，6 kVⅡ段母线在不同运行方式下的短路电流计算结果如表1。

表1 6 kVⅡ段母线短路电流值

2 问题分析

6 kVⅡ段母线在1#和2#主变并列运行时，三相短路电流达63.52 kA，1#和2#主变解列运行时，三相短路电流达42.23 kA，造成既有额定短路开断电流为40 kA的断路器开断能力明显不足，不能有效切断故障短路电流，导致保护装置越级跳闸甚至故障处断路器爆炸，发供电系统存在着很大的安全隐患。

3 旁路限流电抗器的应用

3.1 解决方案

66/6 kV总降变电站6 kVⅡ段母线各馈出间隔断路器依据系统短路电流校验短路电流开断电流既不经济又很困难，断路器的断开容量越大价格越高，如采用高阻抗降压变压器或主变压器出口直接串入限流电抗器来降低系统短路电流会引发诸多问题：

（1）高阻抗主变或电抗器在运行中会造成6 kVⅡ段母线电压降且伴随用电负荷的调整而波动，难以保证供电质量，影响轧钢工序生产。

（2）受高阻抗主变或电抗器串入影响，启动大功率电动机造成6 kVⅡ段母线电压降加剧，影响轧钢直流系统、变频器调速设备等其他负荷的运行，严重时大功率电动机无法启动。

（3）供电系统中长期串入高阻抗主变或电抗器，工作电流通过设备本体时负载损耗较大。

（4）在供电系统中直接串联高阻抗主变或电抗器，相关的继电保护整定值需重新计算设定、调试并校验灵敏度。

利用FSR大容量高速开关装置与限流电抗器并联后再串联在主变压器二次出口处，即采用旁路限流电抗器可解决上述问题。

3.2 旁路限流电抗器

FSR大容量高速开关装置主要作用是有效快速分断故障短路电流且在其未上升到峰值之前完成。FSR装置主要由FS载流桥体、FU高压限流熔断器和FR非线性电阻并联组成分断系统，由测控单元采集数据、判断和发出执行指令，如图2。

图2 旁路限流电抗器示意图

FSR装置元件功能及工作原理：

（1）FS载流桥体：FS载流桥体电阻以μΩ级计算，而FU高压限流熔断器电阻以mΩ级计算，即相当于FS载流桥体短接了FU高压限流熔断器，FS载流桥体承载工作电流流过，发生短路时测控单元发出分断指令至FSR装置，在0.15 ms内FS载流桥体爆破分断，转移至FU高压限流熔断器承载短路电流。

（2）FU高压限流熔断器：FS载流桥体爆破分断后，在0.5 ms内转移至FU高压限流熔断器承载的短路电流熔断熔断器且产生大量弧压。

（3）FR非线性电阻：FU高压限流熔断器熔断时产生大量弧压触发FR电阻导通，FU高压限流熔断器利用吸收电感中存在的磁能和电源注入的能量进行熄弧，并限制分断过电压小于2.5倍的额定相电压。

（4）测控单元：通过对电流幅值和电流变化率的检测采集，一旦电流幅值和电流变化率同时达到动作整定值时，视为发生短路故障，测控单元独立的CPU判断事件是否成立，判断逻辑采用三组中两组动作则视为事件发生，事件成立后立即向FS载流桥体发出分断命令。

投入旁路限流电抗器运行时，串入主回路的限流电抗器被FSR装置短接，FSR装置承载工作电流流过，一旦系统短路故障，FSR装置快速分断，转移至限流电抗器承载短路电流，进而有效限制系统短路电流，确保故障处断路器具备分断短路电流的能力且执行故障跳闸。由此可见，旁路限流电抗器不仅解决高阻抗降压变压器或主变压器出口直接串入限流电抗器来降低系统短路电流所引发诸多问题，又能实现电抗器限制短路故障电流的功能。

4 应用效果

在2#主变压器二次出口处安装旁路限流电抗器，保留原设计QF1断路器，QF1断路器作为旁路限流电抗器退出运行时直通的主变二次出口开关，新安装QF2和QF3断路器作为旁路限流电抗器投退的两侧操作开关，如图3。

接入电抗百分值为12%的旁路限流电抗器后，可有效解决本文3.1节中讲述的问题，6 kVⅡ段母线在1#和2#主变并列运行时，三相短路电流为36.68 kA，1#和2#主变解列运行时，三相短路电流为32.44 kA，6 kVⅡ段母线短路电流可满足既有额定短路开断电流为40 kA的断路器开断能力要求，采用标幺值法计算，暂不考虑大功率电动机反馈短路电流，6 kVⅡ段母线在不同运行方式下的短路电流计算结果如表2。

图3 串联旁路限流电抗器的发供电结构示意图

表2 串联旁路限流电抗器后6 kVⅡ段母线短路电流值

5 结语

采用旁路限流电抗器串入总降变电站主变压器二次出口的方式，旁路带有大容量、分断快速功能的FSR开关装置。利用被并联短接的限流电抗器串联在主回路中增加系统阻抗来限制短路电流，确保故障处断路器具备分断短路电流的能力且执行故障跳闸，从而既可防止短路电流冲击系统，又可降低配置断路器额定短路开断电流的选择，还可减少串联限流电抗器的负载损耗，节约建设投资和运行费用。特别是在新建发供电系统时，适当增加限流电抗器阻抗百分值，选择额定短路开断电流较小的断路器便可满足系统短路条件，取得降低工程造价的良好效果。

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