深度限流技术在冶金企业供电系统中的应用

2021-06-17段正华

有色设备 2021年2期

段正华,侯丰

(云南驰宏锌锗股份有限公司,云南曲靖 655000)

0 引言

云南驰宏曲靖冶炼厂的220 kV 变电站,自建成已经安全运行十余年。近年来该厂随着精深加工项目的逐步建设,用电负荷也在不断增加,原有的2 台31.5 MVA 主变压器已经不能满足供电需求,需要增容到2 台50 MVA 主变压器。主变容量增加引起10 kV 系统短路电流增大,为保证10 kV 系统安全运行,需要采取措施限制10 kV 系统短路电流。本文对比多种限制短路电流方案,论述深度限流技术和装备在实际工程的应用。

1 改造前供配电系统情况

图1 为改造前该厂的电气主接线示意图。总降压内设两台220 kV 主变,220 kV 系统为双母线接线,两台主变压器容量为31.5 MVA,10 kV 系统为单母线分段接线。10 kV 系统主要出线包括:锌系统10 kV 配电站、铅系统10 kV 配电站、硫酸10 kV配电站、锗10 kV 配电站、锌合金10 kV 配电站、10MW 余热发电站。

图1 改造前电气主接线示意图

2 增容主变带来的问题

该220 kV 变电站由于生产需要,两台主变容量需由31.5 MVA 更换为50 MVA。原系统两台变压器并列运行时,10 kV 系统短路电流约为27.5 kA,增容后10 kV 系统短路电流增加到43.64 kA。原有10 kV 开关柜短路遮断电流为31.5 kA,无法满足系统运行要求。因此需要考虑在主变10 kV 侧加装限制短路电流的设备,与此同时,除满足继电保护具备选择性、灵敏性外,应考虑受限的安装空间及节能需求。

3 限流方案选择

3.1 采用传统的限流电抗器

限流电抗器不考虑其过负荷能力,因此取其额定电流为变压器低压侧最大可能工作电流,额定电压取系统工作电压。额定电抗率可按公式(1)选择[1]。

式中Ij—基准电流,A;

I″—被电抗器限制后要求的短路次暂态电流,kA;

X*j—以Uj、Ij为基准,从网络计算至所选用的电抗器前的电抗标幺值,A;

Iek—电抗器的额定电流,A;

Uj—基准电压,kV。

将系统相关参数带入公式(1),计算得额定电流Iek=3 150 A、额定电抗率Xk%=19%。

正常工作时电抗器的电压损失不应大于母线额定电压的5%。按公式(2)校验电压损失。

式中Ig—正常通过的工作电流,A。

sinφ取0.6,将计算数据带入,校验通过。

除外此种电抗器制造工艺难度大、能耗较高的限制,受工程周期、安装地点局限性、成本等诸多因素的影响,该类型限流电抗器与此次改扩建项目融合度较低。

3.2 限流电抗器+FSR 方案

3.2.1 节能原理

图2 示意了此方案应用旁路办法节能原理,电抗器损耗节能收益巨大,正常运行时爆炸桥投入使用,工程取阻抗可忽略不计,消除正常工作模式下电抗器的有功损耗,进而实现节能。

图2 爆炸桥并联电抗器原理图

3.2.2 爆炸桥基本原理

爆炸桥本质上是一种组合电器,其内置炸药金属载流桥及限流熔断器。图3 中d点发生短路故障时,桥体快速爆炸。将短路电流在熔断器及电抗器中进行转换,短路电流将快速熔断器演变成高阻状态,限流熔断器迅速炸裂,短路电流流经电抗器,达到限流作用。

图3 爆炸桥原理图

选用此种方案能够有效节能,提高电源有功输出,但是维护工作量较大:每当短路电流发生后,需立即更换爆炸桥,更换配件尚应考虑远景与近景两种情况,近景可以及时购买爆炸桥,配件费用较大;远景看来变电站需要运行相对较长时间,备品备件的存储及长久供货厂家的生产能力令人担忧,暂无统一的布置接口与标准尺寸及规程。因此从运行角度看,这种方案对于公司适合度较低。另外该方案设备体积庞大,安装空间也无法满足建设需求。

3.3 采用高阻抗变压器

采用该方案达到限制短路电流的目的,需要主变的阻抗电压不低于21%,按照系列标准选型的话,需要选择阻抗电压为23%的产品。与方案1 相比,能够解决安装空间受限问题和空心电抗器漏磁场问题,但高阻抗主变同样存在损耗偏高问题,而且造价约为标准阻抗变压器的2.5 倍,经济性并不明显。

3.4 串联深度限流装置

在变压器低压侧串入额定电压10 kV、额定电流3 150 A、额定电抗率19%的深度限流装置。该类型设备安装占地面积小,完全满足改造功能要求。

表1 方案技术性能对比表

4 深度限流装置技术特点及关键技术

零损耗深度限流装置,主要由换流器及限流电抗器组成。换流器包含快速断路器、罗克CT、分相控制器及返回CT。换流器主要元件为涡流驱动快速断路器,正常运行时,将限流电抗器短路,短路故障发生时,分相控制器迅速(短路电流第一次过零)下达指令,退出快速断路器,投运限流电抗器,分闸快速断路器指令可在5 ms 内下达,进而实现深度限流。与爆炸桥相比,无需更换熔断器[2-3],大大减轻运维工作。

目前,10 kV 弹簧机构驱动的真空断路器广泛应用在变配电领域,其固有分闸时间约25 ms 左右[4],校验电气设备短路耐受能力时间一般取断路器固有分闸时间及继电保护动作时间之和[5],带时限保护更加考验电气设备短路耐受能力。“零前分闸”相控技术为限流装置的关键技术之一,考虑动作时限,可在短路电流过零时投入限流电抗器。完成“零前分闸”需要对故障电流做出快速判断,预测故障电流过零点,根据“涡流驱动”快速真空断路器的基本特性,控制器拟合采集数据,在3 ms 内甄别短路电流,给出动作判断,触发相应指令及元件,准确分闸,投入电抗器。将深度限流特点总结如表2所示。