快速开关型限流器在工业中的应用

李 刚

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

0 引言

在工业配电系统设计中，短路电流是重要的设计参数，系统短路电流过高将导致设备和导体的成本飙升，同时也会对配电系统的安全运行造成影响[1]。采用合理的措施对短路电流加以限制对于控制成本及保障系统稳定运行尤为重要。设置限流电抗器[2]是最为常见的限流方法，然而由于其增加运行能耗、导致运行电压降及占地面过大等缺点，使得其在工程中的应用受到很大限制。

随着快速开关[3]技术的发展和成熟，以其为基础的快速开关型限流器[4-5]得到越来越多的应用，相比于传统的限流电抗器，其优势在于正常运行过程中不产生电能损耗、无运行压降、占地空间小且参数设计更为灵活。然而其相对复杂的运行方式也给设计增加了难度，一个合理的设计需要在限流深度、继电保护配合和母线残压等多方面加以权衡和考虑，由于现有电气设计手册和规范尚缺乏相应的设计指导和参考示例，实际应用中不乏存在设计不当的情况。

本文从快速开关型限流电抗器的原理和特性出发，分析了其优缺点，指出了及在设计中需注意的问题，给出了系统性的设计流程，最后通过具体工程设计实例对设计流程进行了详细说明。

1 快速开关型限流器工作原理与特性

快速开关型限流器结构图如图1所示[4]，其主要由快速开关、限流电抗器和控制器构成。其中快速开关采用电磁斥力结构的操纵机构，可在5 ms内完成快速分闸，在10 ms内完成合闸。控制器采用快速识别算法，可在2 ms内快速完成短路故障判断并迅速分闸。

系统的工作原理是：正常运行时，快速开关保持合闸状态使得限流电抗器保持退出状态；当短路故障发生时，快速开关快速开断，限流电抗器在15 ms内完成投入，短路电流得到限制；故障切除后，控制器通过检测母线电压回升实现自动合闸，电抗器回到退出状态，系统恢复正常运行。

图1 快速开关型限流器结构图

由其运行原理可知，快速开关型限流器具有以下优点：

(1)参数选择范围广，可实现深度限流。由于电抗器在正常运行过程中并不投入，故无需考虑运行损耗和运行压降问题，限流器可安装于主变压器出线处，并采用较大的限流电抗值来大幅度限制短路电流。

(2)由于电抗器只在故障期间短期投入，选型上只需考虑短时通流耐受能力而无需考虑持续运行电流，故电抗器的体积大大减少。

相比于传统限流电抗器限流方式，快速限流器在设计过程需特别考虑以下问题：

(1)继电保护配合问题。由于快速开关需要在15 ms内完成快速故障判断和分闸，其动作时间远小于常规回路动作时间，故其在动作时间上无法与下游回路构成级差，只能通过合理选择其动作值来尽可能保证选择性。

(2)电压暂降问题。对于限流器设于主变压器出线的情况，当限流器动作时，由于电抗器阻抗的分压作用，会导致母线残压急剧跌落，影响系统的稳定运行。对此需考虑母线残压计算，并根据需要采取相应的措施，如在馈线回路采用快速开关快速隔离故障，或在馈线回路加装限流器提高残压等。

图2 主接线及短路计算结果1

2 基于快速开关型限流器的设计

如前述，快速开关型限流器在设计上需考虑多种因素，需要将其视为一个系统工程，综合考虑工程需要、运行方式、继电保护配合和电能质量等因素，并结合电力系统建模和计算，以得到最佳方案。为指导相关设计，提出下述设计流程，并结合设计实例加以说明。

(1)根据配电方案和运行方式，对电力系统建模并进行短路电流计算。

(2)根据短路电流计算结果，确定快速限流器安装位置和限流目标，估算限流电抗器的阻抗。

(3)对限流器限流后的短路电流进行计算，根据结果调整和确定电抗器阻抗。

(4)结合限流要求和继电保护选择性要求，确定快速开关的动作值。

(5)计算各馈线回路末端短路时的主母线残压，对于不满足要求的回路，使用快速开关或加装快速限流器等方法加以限制。

(6)根据最终确定的配电方案进行建模和电气计算，验证系统短路电流、继电保护选择性及母线残压。

鉴于设计过程中需要反复计算短路电流和调整参数，推荐使用专业的电力系统计算软件工具，如ETAP来辅助设计。

3 设计实例

本节通过一个工程设计实例来说明快速开关型限流器的设计流程。

某工程采用ETAP软件进行建模后主接线如图2所示，已知该工程两台主变压器采用分列运行方式。经分析当工作方式为母联开关DL21合闸，进线DL4分闸时系统短路电流最大，采用ETAP软件进行短路电流计算，结果如图2所示。

(1)电抗器初值选取

综合考虑设备选型、导体选择的经济性和未来扩展性，工程拟将10 kV系统最大短路电流限制在25 kA以下。

由图2可知，10 kV母线最大短路电流为33.657 kA，大于工程要求的25 kA，为限制短路电流，分别在两台主变压器的低压侧断路器DL2和DL4下端设置快速开关型限流器。

如图知，10 kV母线短路电流由电网电流(25.581 kA)和电机反馈电流(8.08 kA)两部分构成，其中反馈电流无法改变，为了将总电流保持在25 kA以下，需将电网电流限制在：25.581-(33.657-25)=16.924 kA。

采用ETAP软件进行计算，得到电抗器取值为0.14 ohm时，电网提供的短路电流可限制在16.64 kA，此时母线最大短路电流为24.6 kA，满足工程要求。

(2)快速开关动作值选取

由图2可知，10 kV配电站1和2的最大短路电流分别为12.501 kA和10.005 kA，小于限值25 kA，故10 kV配电站站内短路时无需限流器投入，此时应上下级保护的选择性。考虑快速开关控制器10%的动作误差，满足选择性要求时，要求其动作值Idz>1.1×12.5=13.75 kA；满足限流要求时，要求其动作值Idz<1/1.1×16.64=15.13 kA；综合得到：13.75 kA

(3)母线残压校验

各10 kV馈线回路末端发生短路时，10 kV母线残压计算如表1所示。由表1可知，DL5和DL10回路末端发生故障时，由于限流电抗器的投入使得母线残压急剧降低，分别只有1.5%和15.8%，远低于70%的常规要求。为避免母线残压过低造成影响，将DL5和DL10回路开关更换为快速开关，使其在15 ms内快速切除短路故障。

表1 母线残压计算表

(4)最终配置及计算

最终的快速开关和限流电抗器参数如表2所示，系统建模和短路电流计算结果如图3所示。可

表2 快速开关及限流电抗器定值表

知通过上述设计流程，短路电流、继电保护配合和母线故障残压问题皆得到了很好的解决，系统可靠性得到了最大保障。

图3 主接线及短路计算结果2

4 结语

快速开关型限流器具有不产生运行能耗、运行压降及占地面积小等优点，在工业配电中有着广阔的应用前景。然而其设计过程较为复杂，需要综合考虑系统运行方式、限流深度、继电保护和电能质量等多种因素，如设计不当，不但无法起到相应的效果，反而会对系统的稳定运行造成影响。本文提出的设计流程和工程实例为该类设计提供了指导，将促进该技术在工程中获得更为广泛和成功的应用。