零损耗深度限流装置在高压供电系统挖潜增效中的应用
2018-05-18龙文辉曾维旭
龙文辉，曾维旭
（华菱涟钢能源中心，湖南娄底 417009）
前言
钢铁企业随着产能逐步增加，电力系统也在逐步扩大，特别是大的发电机组、高炉风机、制氧机、以及异步电机的普遍运用，以往很多变电站在断路器遮断容量的选择上只考虑当时负荷情况下的短路容量，随着技改、产线、品种升级，对电气系统提出了更高的要求。限制短路电流，保持系统稳定运行，在系统稳定的同时降本增效，是一个引人关注的问题。
1 运行方式及需解决的问题
涟钢Ⅱ站220 kV系统共5台主变，两回220 kV进线，一回220 kV联络线，采用双母接线，1#、2#主变容量分别为 40 MVA，主供 6 kV 负荷，3#、4#、5#主变容量分别为150 MVA，向35 kV系统和10 kV系统供电，全站总容量为530 MVA，通过该站并网的发电机组装机容量为23.5 MW，除干熄焦发电通过10 kV变压器降压后在6 kV上网，其余发电量均通过10 kV和35 kV上网。
为达到引进新技术、新产品，秉着电气系统两眼向内，挖潜增效为目的，拟将2台40 MVA的主变从220 kV系统退出，其6 kV电源由就近的10 kV站通过降压变实现。目前2台主变的总负荷约为40000 kW左右,“三供一业”将生活用电负荷移交后，6 kV系统负荷约为25000 kW，6 kV系统采用单母分段运行，2台主变均轻载运行，极不经济。因此，退出1#、2#主变运行成为关注的问题。退出主变运行后，一方面，可减少购电成本，减少基本容量费，预计全年可节省购电成本约1152万元；另一方面，可减少变压器轻载所产生的损耗；第三，可实现负荷有效调节，减少有功倒送。
根据上述情况我们绘制了即将进行技改部分的一次主接线简图，如图1所示。
2 退出涟钢Ⅱ站1#、2#主变方案设计
根据厂内负荷的调整情况，计划取消T1和T22台220/10/6 kV主变。
利用干熄焦发电2台10 kV降压变，由发电二车间高压室提供两路10 kV电源经电缆连接至干熄焦进线电缆处，通过干熄焦2台25000 kW的降压变压器带6 kV所有负荷，采用三差保护作为线路主保护，发电二车间10 kV三段母线均分段运行，干熄焦发电机在发二的10 kVⅠ段上网，并将4#发电机接入煤气发电的10 kVⅡ段。
图1 一次主接线简图
调整后的一次主接线图如图2所示。
图2 调整后一次主接线简图
3 短路电流计算
3.1 基本资料
（1）1#2#升压变：
变比：37/10.5；
额定容量：63 MVA；
阻抗百分比：15.2。
（2）1#发电机：
额定容量：35.29 MVA；
功率因数：0.85；
超瞬变电抗：13.1%。
（3）2#发电机：
额定容量：37.5 MVA；
功率因数：0.85；
超瞬变电抗：13.1%。
额定容量：33.5 MVA；
功率因数：0.85；
超瞬变电抗：21.4%。
（5）4#发电机：
额定容量：29.4 MVA；
功率因数：0.85；
定向医学生学习动机的得分为(4.373±0.043)，接近中等临界值。在各个维度上的由高到低依次为物质追求(4.693±0.057)、求知进取(4.672±0.056)、社会取向(4.354±0.068)、小群体取向(4.337±0.055)、个人成就(4.058±0.067)和害怕失败(4.058±0.067)。在各维度得分高低的排列顺序上与刘洋的相关研究一致[4]。(见表1)
超瞬变电抗：11.88%。
（6）干熄焦发电机：
额定容量：25 MVA；
功率因数：0.8；
超瞬变电抗：14%。
（7）限流电抗器：
额定电流：2500 A；
电抗率：12%。
3.2 发电厂接线方式调整后的短路电流
取基准容量Sj=100 MVA，基准电压：Uj10=10.5 kV，Uj6=6.3 kV，为便于计算发电厂35 kVⅣ段、35 kVⅤ段及35 kVⅢ段短路电流按无穷大考虑，10 kV母线及6 kV母线段均按分列运行。
短路等值阻抗图如图3。
图3 短路等值阻抗图
根据图3，10 kVⅠ段、Ⅱ段的短路电流计算均超出31.5 kA，短路电流已超出支路开关遮断容量极限，将无法开断，必须加装限流措施以减低短路电流对系统和主变的冲击可能产生的危害，达到延长主变寿命、提高系统稳定性的目的。
4 短路电流超标的治理方法
目前国际国内普遍采用的方法一是选用遮断容量大的断路器；二是加装快速限流装置。但更换遮断容量大的断路器费用普遍偏高，且可选择面比较狭窄，改造工作量大，对钢铁企业连续生产作业不适用。快速限流装置，安装比较灵活，且费用相对较低，改造周期短。目前其主流产品为爆炸式开断装置与限流电抗器并联和快速断路器与限流电抗器并联，两种方式各有优缺点：
（1）爆炸式开断装置与限流电抗器并联：
优点：电抗器无损耗、无压降，短路故障，快速投入电抗器限制短路电流。
缺点：动作后需更换桥体，费用约在20～30万之间，更换桥体期间，电抗器一直投入系统运行，故电抗率不可以做得很大，一般在6%～14%；运行维护成本高；爆炸式开断装置与限流电抗器为分体式结构，占用空间大。
（2）快速断路器与限流电抗器并联（零损耗深度限流装置）：
优点：电抗器无损耗、无压降，短路故障，快速投入电抗器限制短路电流；无需后期运行维护成本；并联电抗器电抗率可以任意调整，限流比高；一体化结构设计，占用空间小。
缺点：电抗器投入最长时间只能维持3 s。
结合爆炸桥式快速限流装置及零损耗深度限流装置的相关优缺点，并结合我厂实际，最终选用零损耗深度限流装置。
零损耗深度限流装置原理见图4。
（1）正常运行期间
VFC处于合闸位，换流器承载线路工作电流，ZLB呈零阻抗状态，表现为零损耗，无压降，同时不会产生磁场污染。
图4 零损耗深度限流装置原理
（2）线路发生短路故障时
当且仅当分相控制器通过罗克CT信号检出了超过ZLB启动定值的超标短路电流时，命令VFC及时分闸，ZLB装置可在20 ms内投入限流电抗器而呈现高阻抗状态，将短路电流限制在预期值以内，确保常规断路器可靠开断短路故障。
（3）短路故障排除情况
①若分相控制器通过返回CT检出的电流小于返回定值时，说明短路故障已排除，命令VFC及时合闸，ZLB装置可在20 ms内旁路限流电抗器而呈零阻抗状态，系统即可恢复正常运行。
②若分相控制器通过返回CT检出的电流达不到返回定值时，说明系统没有排除短路故障，也即VFC一直处于分闸状态，达到2 s时间，为自我保护，命令VFC合闸，此功能也作为ZLB误分之后的自愈保护。
5 采用零损耗深度限流装置的短路电流计算
目标限流值：将各短路点的短路电流限制在25 kA左右。
在发电厂1#升压变、2#升压变加装阻抗为0.4124 Ω零损耗深度限流装置（已下简称ZLB），按3500 A折算电抗率为25%；在4#发电机出口侧加装阻抗为0.6235 Ω零损耗深度限流装置，按2500 A折算电抗率为27%。
加装ZLB后一次主接线图如图5。
加装限流电抗器后短路等值阻抗图如图6。
图5 220 kV站发电厂加装限流措施后的一次主接线简化图
图6 短路等值阻抗图
根据图6，10 kV侧的d2、d4和d5点短路时，短路电流均已控制在最小支路开关31.5 kA遮断容量之内，并均具备了一定的设计冗余，满足了开断要求，提高了系统运行的灵活性和安全性。
最终根据相关参数计算，我们作了选型：
升压变低压侧ZLB型号：ZLB-10 kV-4000 A/50 kA-0.4124 Ω。
4#发电出口侧ZLB型号：ZLB-10 kV-3150 A/50 kA-0.6235 Ω。
6 结论
运用零损耗深度限流装置，在满足快速投入电抗器，限制短路电流的同时，退出了涟钢的1#、2#主变，减少了购电成本1152万元，经过此次运行方式的改变，可有效地对发电负荷进行调节，减少有功倒送，一并解决了变压器轻载运行的问题，实现高压供电系统挖潜增效。
[参考文献]
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