限流電抗器應用中存在問題及解決對策

1 前言

在電力系統(tǒng)中，限流電抗器主要作用是當電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，利用其電感特性，限制系統(tǒng)的短路電流，降低短路電流對系統(tǒng)的沖擊，同時降低斷路器選擇的額定開斷容量，節(jié)省投資費用，同時提高系統(tǒng)的殘壓。但使用限流電抗器后，會存在很大的電能損耗，系統(tǒng)有大的波動時如啟動大容量電動機產生大的電壓降影響其它設備正常運行，使發(fā)電機調壓困難影響系統(tǒng)穩(wěn)定。同時對周圍供電設備、建筑物以及通訊設施都會產生較大的影響，甚至造成設備異常。如何消除電抗器產生的影響，已經成為電力系統(tǒng)正常運行中所面臨的一個非常重要的問題。

2 問題的提出

恒通化工熱電廠現(xiàn)有三臺60MW發(fā)電機，三臺15MW發(fā)電機，總裝機容量22.5萬KW,年發(fā)電量12.7億度。廠用電采用6KV供電，由發(fā)電機出口直接供給。為限制短路電流而串接限流電抗器給兩段6KV母線供電，6KV系統(tǒng)采用單母線分段式接線，廠用電系統(tǒng)主接線(以4#發(fā)變組為例)見圖1。

圖 1

在運行過程中，發(fā)現(xiàn)以下問題

2.1 當啟動大容量電動機如給水泵時，6kv母線電壓降低到80%左右影響其它電機及用戶正常使用。曾經出現(xiàn)過兩臺給水泵同時啟動時電抗器后備保護動作跳閘的事故，嚴重影響了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

2.2 當電抗器運行在額定電流70%左右時，電抗器線圈發(fā)熱嚴重，出現(xiàn)繞組過熱變色現(xiàn)象。

2.3 電抗器長期串聯(lián)在系統(tǒng)中本身消耗巨大無功及有功，導致運行不經濟

2.4 系統(tǒng)受到大擾動時電壓波動大，給發(fā)電機電壓調節(jié)造成困難，影響系統(tǒng)穩(wěn)定

3 問題的解決對策

3.1 解決思路

為了解決這個問題，經過技術咨詢和考察，發(fā)現(xiàn)利用國內一種大容量高速開關裝置(簡稱FSR裝置)可消除電抗器產生的影響。具體解決辦法是將FSR裝置并聯(lián)在電抗器兩端，如圖2。

圖 2

正常運行時， 高速開關裝置(FSR)將電抗器短接，由于FSR阻抗約為0.1mΩ(其中直流電阻約20μΩ)，而電抗器阻抗一般在0.15～0.9Ω(即150 mΩ～900 mΩ)之間，所以正常運行時電抗器被FSR短接而不起作用電流流經高速開關裝置，當廠用6KV母線及以下出現(xiàn)短路故障時，高速開關快速熔斷，將電抗器投入主回路中限制短路電流，而短路故障仍由故障處斷路器開斷。

3.2 FSR裝置的工作原理

該裝置主要由橋體FS、熔斷器FU、非線性電阻FR及測控單元等組成，簡稱FSR。FS與FU阻抗相比為1∶2 000。因此正常運行時工作電流經FS流過。系統(tǒng)發(fā)生故障短路時，接到測控單元的分斷命令后，F(xiàn)S在0.15 ms之內爆破斷開，電流轉移至FU。FS斷開后全部短路電流轉移到FU，使FU在0.5 ms內熔斷，并產生足夠的弧壓。FU斷開時產生的弧壓使其導通，吸收FU開斷后產生的電弧能量及電源注入的能量，使FU順利熄弧，并把斷開時的過電壓限制在允許的2.5倍相電壓范圍內。檢測電流和電流變化率，當電流幅值和電流變化率同時超過定值時，判斷為短路發(fā)生，并采用3個相同的獨立工作的測控部件，以 “三取二”動作方式做出判斷，向FS發(fā)出分斷信號。如圖3

圖3

橋體FS：因FS電阻為uΩ級，而熔斷器FU電阻為mΩ級，故正常時工作電流經橋體流過，短路時接到測控單元的分斷命令后，在0.15ms之內爆破斷開，電流轉移到熔斷器FU。

熔斷器FU：FS斷開后，全部短路電流轉移到熔斷器，在0.5ms以內熔斷器熔斷，并產生足夠的弧壓。

非線性電阻FR：熔斷器熔斷時產生的弧壓使其導通，吸收電感中存在的磁能及電源注入的能量，使熔斷器順利熄弧，同時把開斷時的過電壓限制在2.5倍的額定相電壓之內。

測控單元：檢測電流和電流變化率，當電流幅值和電流變化率同時超過整定值時，判斷為短路發(fā)生，采用三個相同的獨立工作的CPU部件，以“三取二”表決方式判斷，向橋體發(fā)出分斷命令。

3.3 FSR裝置的特點

3.3.1載流量大：目前國內真空斷路器額定電流只能做到4kA，而FSR裝置最大額定電流可做到12kA，完全可滿足目前電力系統(tǒng)的需要。

3.3.2開斷速度快：短路電流在1ms以內被截流，3ms之內衰減為零，故障被完全切除。與傳統(tǒng)的斷路器繼電保護方式相比，短路故障切除速度提高20倍以上。

3.3.3開斷過程中無危害性過電壓：氧化鋅良好的非線性特性，可將開斷過電壓限制在2.5倍的額定相電壓以內。

3.3.4開斷容量可以足夠大：目前可做到240kA，足以滿足一般情況下切斷短路電流的需要。

3.3.5靈敏度更高：故障時電流變化率增加明顯，該裝置引入了電流變化率作判據(jù)，靈敏度更高。

3.4 FSR裝置動作電流整定原則

3.4.1當初在6kV母線進線處設計限流電抗器，其目的是降低6kV系統(tǒng)三相短路電流。發(fā)生三相短路故障時，電抗器應可靠投入，從而要求FSR裝置在短路電流上升的初始階段應可靠斷開，故FSR動作值應取90%的三相短路電流值。

3.4.2其它負荷正常運行時，應躲過最大配電變壓器空載合閘電流，并取1.3倍的可靠系數(shù)。

3.4.3其它負荷正常運行時，應躲過最大電動機的啟動電流，也取1.3倍的可靠系數(shù)。

綜合以上三種情況，選擇最大電流做為FSR裝置的動作電流

3.5 應用實踐

我廠4#機組采用電抗器與FSR裝置并聯(lián)運行方案后，解決了電抗器產生的影響。

3.5.1由于正常運行時，電抗器被短接無電流流過，解決了運行中發(fā)熱嚴重的問題，系統(tǒng)受到大擾動時電壓波動大，發(fā)電機電壓調節(jié)也十分方便。

3.5.2消除了電抗器產生的電壓降，提高了電壓質量。

3.5.3啟動大容量電動機如給水泵時，6kv母線電壓降僅為5G左右，保證了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

3.5.4消除了電抗器產生的電能損耗,節(jié)能效果顯著,年節(jié)約電費12.4萬元。

通過查閱電抗器手冊中電抗器額定容量、功率損耗等參數(shù)，以及我廠4#機組運行實際。電抗器年功率損耗計算如下： A=3×SA×T=3×β2× (SP+SQ)×T

(SP=PK=12.196KW SQ=0.02Se β=I /Ie Ie =2000A運行電流I=1240A)

A=3×SA×T=3×β2×(SP+0.02Se)×T=3×0.622× (12.196+0.02×924×24×365=10102.032×30.676=309889.9336

每度電按0.4元計算，電抗器年損耗：

0.4×A =0.4×30.9889=12.3955萬元/年

4 結束語

綜上所述，采用高速開關裝置與電抗器并聯(lián)是一種經濟實用的限流方案。不但解決了高壓斷路器選擇的經濟性，而且從根本上避免了正常運行中串入電抗器帶來的電壓降、電能損耗和漏磁場等問題，提高了廠用電系統(tǒng)的功率因數(shù)、電能質量，有利于系統(tǒng)的安全節(jié)能運行，是值得推廣的一種經濟運行方式。

參考文獻：

[1] 王川、李延軍. 用于大型同步發(fā)電機出口及廠用變分支大容量快速開斷裝置[J] 2002，(1-2),92-98

[2] 方大千 電工計算手冊(增訂版) 山東科學技術出版社 1993.06

[3] 李桂中 現(xiàn)代電力工程師技術手冊 天津大學出版社出版 1994.12