康小剛

摘 要：煤化工行業(yè)是近年來(lái)一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè)，由于市場(chǎng)前景好，近些年來(lái)發(fā)展迅猛，煤化工由于工藝要求，主變變壓器有時(shí)需要進(jìn)行并列運(yùn)行。本文通過(guò)該項(xiàng)目，介紹了變壓器并列運(yùn)行造成短路電流超標(biāo)問(wèn)題的解決方法、快速限流器的分類(lèi)、動(dòng)作原理和快速限流器在限制短路電流中的一些優(yōu)點(diǎn)，最后還介紹了ABB快速限流器的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：短路電流；第一個(gè)大半波峰值；快速限流器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.146

0 引言

該煤化工項(xiàng)目110kV中心變電站（以下簡(jiǎn)稱(chēng)變電站）的電壓等級(jí)分為110kV、35kV兩個(gè)電壓等級(jí)，110kV和35kV均為單母分段，電源由外部、內(nèi)部?jī)刹糠纸M成，外部電源由110kV輸電線(xiàn)路進(jìn)行供電，內(nèi)部由兩臺(tái)自備發(fā)電機(jī)進(jìn)行供電（見(jiàn)圖一）。變電站配置四臺(tái)容量為75MW的110kV/35kV降壓變壓器（T1-T4）和兩臺(tái)容量為75MW的10kV/35kV升壓變壓器（T5-T6），35kV電氣設(shè)備的額定短路電流為32kA。正常運(yùn)行時(shí)，110kV、35kV母聯(lián)開(kāi)關(guān)均為分開(kāi)狀態(tài)，六臺(tái)變壓器為分列運(yùn)行狀態(tài)，35kV母線(xiàn)d1處短路電流為17kA，滿(mǎn)足額定短路要求； 當(dāng)110kV、35kV母聯(lián)開(kāi)關(guān)在閉合狀態(tài)，六臺(tái)變壓器轉(zhuǎn)為并列運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)35kV母線(xiàn)d1處短路電流如下：

基準(zhǔn)容量=100MVA，發(fā)電機(jī)額定功率=60MW 功率因素cosφ=0.80，根據(jù)發(fā)電機(jī)參數(shù)得知 。

從以上計(jì)算可以看出，并列運(yùn)行方式下，d1處的短路電流值為34.9kA，大于額定短路電流32kA，存在安全運(yùn)行隱患。如果不采取限制短路電流措施，當(dāng)35kV母線(xiàn)及35KV出線(xiàn)下端出現(xiàn)短路故障時(shí)，通過(guò)35kV斷路器最大短路電流達(dá)到34.9kA，大于額定開(kāi)斷電流32kA， 35kV斷路器將會(huì)由于開(kāi)斷容量不夠造成斷路器炸裂的事故。變壓器并列運(yùn)行是煤化工行業(yè)一種常用的運(yùn)行方式，該運(yùn)行方式下，所有變壓器均并聯(lián)在同一電壓母線(xiàn)上，可以方便的退出一臺(tái)變壓器進(jìn)行檢修，其他變壓器仍可繼續(xù)運(yùn)行，減少由于變壓器檢修造成的停電減產(chǎn)、停工；同時(shí)煤化工企業(yè)大部分都在北方區(qū)域，由于季節(jié)原因，在負(fù)荷輕的冬季可以將部分變壓器退出運(yùn)行，可以減少變壓器的空載損耗和無(wú)功勵(lì)磁電流，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，提高煤化工企業(yè)運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 解決系統(tǒng)短路電流超標(biāo)的幾種方案

（1）提高35kV開(kāi)關(guān)設(shè)備短路電流。將35kV開(kāi)關(guān)設(shè)備短路電流額定值提高到40kA，由于投資資金大，設(shè)備改造工程量大且周期長(zhǎng)，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度，所以該方案不予采用。

（2）串聯(lián)電抗器，限制短路電流。通過(guò)串聯(lián)電抗器，增加系統(tǒng)阻抗，限制短路電流。該改造方案有兩種，一種是在主變壓器低壓側(cè)處串聯(lián)電抗器，一種是在母聯(lián)處串聯(lián)電抗器。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，選擇電抗器時(shí)，既要將短路電流限制到要求值，又要使電抗器的電壓損失不超標(biāo)母線(xiàn)額定電壓的5%，經(jīng)計(jì)算，兩種方案在串聯(lián)電抗器時(shí)，d1處的短路電流值和電壓損失均不能同時(shí)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，同時(shí)35kV干式空心電抗器體積龐大，由于項(xiàng)目已建成，變電站內(nèi)也沒(méi)有合適地方可以安裝，所以該方案也無(wú)法實(shí)行。

（3）加裝快速限流器，限制短路電流?？焖傧蘖髌髯畲箝_(kāi)斷短路電流可達(dá)210kA有效值，完全可以滿(mǎn)足開(kāi)斷該項(xiàng)目短路電流的要求；同時(shí)由于動(dòng)作時(shí)間快，也不會(huì)給母線(xiàn)帶來(lái)任何電壓降?？焖傧蘖髌骺梢栽陂_(kāi)關(guān)柜柜內(nèi)安裝，外殼尺寸與開(kāi)關(guān)柜尺寸一致，可以拼接插入到母聯(lián)柜和提升柜之間，縮短現(xiàn)場(chǎng)施工工期、減少工程量，大大降低改造費(fèi)用。經(jīng)綜合評(píng)定，選用快速限流器方案。

2 快速限流器的分類(lèi)

快速限流器是限流器的一種，具有開(kāi)斷迅速、分?jǐn)嗳萘看蟮忍攸c(diǎn)，基本功能是在電流上升的初期（小于1毫秒）感知短路電流值并加以限制，將短路電流限制在第一個(gè)大半波上升的初期，確保短路電流回路中的母線(xiàn)、斷路器、電纜、變壓器的機(jī)械結(jié)構(gòu)不被電動(dòng)力破環(huán)。根據(jù)采用的技術(shù)類(lèi)型不同，歸納為以下三種類(lèi)型：

（1）超導(dǎo)技術(shù)型快速限流器。超導(dǎo)技術(shù)型就是利用超導(dǎo)材料的超導(dǎo)特性，當(dāng)超導(dǎo)材料通過(guò)一定值的電流時(shí)，超導(dǎo)材料立刻變?yōu)楦咦杩範(fàn)顟B(tài)，從而起到限制短路電流的作用，目前還在試用階段，成本相對(duì)較高。

（2）電力電子技術(shù)型快速限流器。利用半導(dǎo)體元件的通斷，投入和切除并聯(lián)在半導(dǎo)體上的電抗器起到限流作用，由于受到電子元器件的短路容量限制，使用范圍受到限制，目前在短路容量較小的配電系統(tǒng)中有應(yīng)用。

（3）Is型快速限流器。第一套Is型限流器由ABB的Calor Emag公司在1955年發(fā)明創(chuàng)造，采用一種化學(xué)類(lèi)的感應(yīng)填料填充在快速限流器主回路內(nèi)，經(jīng)脈沖變壓器觸發(fā)后，在1ms內(nèi)將主回路斷開(kāi)，是目前世界上開(kāi)斷速度最快、開(kāi)斷容量最大的快速限流器，目前全球已有上千臺(tái)的應(yīng)用業(yè)績(jī)，隨著國(guó)內(nèi)對(duì)提高電能質(zhì)量和電力系統(tǒng)可靠性要求的日益增長(zhǎng)要求，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)也逐漸成熟。國(guó)內(nèi)廠家也有相類(lèi)式型號(hào)的產(chǎn)品（爆炸橋型限流器）在生產(chǎn)銷(xiāo)售。

3 快速限流器的工作原理

以下以Is型快速限流器為例，介紹快速限流器的工作原理?？焖傧蘖髌餮b置主要由專(zhuān)用電流互感器、測(cè)量與跳閘觸發(fā)裝置、脈沖變壓器、Is主回路本體（包含熔斷器）四部分構(gòu)成（見(jiàn)圖2），動(dòng)作過(guò)程如下：

當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，專(zhuān)用電流互感器①將一次短路電流轉(zhuǎn)為二次信號(hào)傳輸給測(cè)量與跳閘觸發(fā)裝置②，測(cè)量與跳閘觸發(fā)裝置時(shí)刻在監(jiān)測(cè)所流過(guò)電流的瞬時(shí)值及其上升坡度，當(dāng)兩個(gè)整定值同時(shí)達(dá)到或被超過(guò)時(shí)，發(fā)出跳閘脈沖給脈沖變壓器③。脈沖變壓器的作用除了觸發(fā)Is主回路本體④中的感應(yīng)填料外，同時(shí)還起到測(cè)量與跳閘觸發(fā)裝置與系統(tǒng)同電位的感應(yīng)填料的高低壓電氣隔離作用。由于Is主回路本體的電阻是微歐級(jí)，并聯(lián)在Is主回路本體上的熔斷器的電阻是毫歐級(jí)，正常運(yùn)行時(shí)電流基本全部從Is主回路本體上流過(guò)。感應(yīng)填料引爆后Is主回路本體被炸斷，Is主回路本體電阻瞬間由微歐級(jí)轉(zhuǎn)為高電阻，電阻值遠(yuǎn)大于并聯(lián)的熔斷器電阻， 短路電流迅速轉(zhuǎn)移到熔斷器上流過(guò)，此時(shí)由熔斷器將短路電流開(kāi)斷掉，使短路電流在大半波高峰前被切斷。

根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定，在規(guī)定的使用和性能條件下，開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備在合閘位置能夠承載的第一個(gè)大半波的電流峰值，額定峰值耐受電流達(dá)到 2.5 倍額定短時(shí)耐受電流。因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)在出現(xiàn)短路故障時(shí)，短路回路中的短路電流會(huì)迅速升高，通常為額定電流的幾倍或十幾倍，數(shù)值可達(dá)上千安培，該電流通過(guò)電氣設(shè)備和導(dǎo)體時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的電動(dòng)力，短路過(guò)程中電動(dòng)力最大值是出現(xiàn)在第一個(gè)大半波峰值，例如系統(tǒng)的短路電流為32kA（有效值），設(shè)備最大可承受的第一個(gè)大半波峰值的瞬時(shí)值為80kA，如果系統(tǒng)預(yù)期短路電流超過(guò)該數(shù)值，短路回路中的電氣設(shè)備（母線(xiàn)、變壓器、斷路器、互感器、穿墻套管）的機(jī)械結(jié)構(gòu)將會(huì)被超標(biāo)的電動(dòng)力破環(huán)。

4 快速限流器的優(yōu)點(diǎn)

4.1 減少短路時(shí)的回路壓降

由于沒(méi)有串聯(lián)電抗器的阻抗，極大的降低了負(fù)荷沖擊（如大電機(jī)啟動(dòng)）引起的電壓降，同時(shí)也避免低壓開(kāi)關(guān)脫扣器因?yàn)槎搪窌r(shí)的瞬間低電壓造成的脫扣跳閘。

4.2 節(jié)約能源，降低費(fèi)用

以一組10 kV/3000 A、電抗率12%的限流電抗器為例，按照NKSL電抗器樣本的參數(shù)，其阻抗值約為0.231Ω，三相有功損耗約為68 kW，全年滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行損失電量W1=60萬(wàn)kWh，電價(jià)按0.5元/kWh計(jì)算，每年僅有功損失折合人民幣近30多萬(wàn)元。通過(guò)將快速限流器跨接到電抗器兩端，將電抗器短接，正常運(yùn)行時(shí)，電流基本全部通過(guò)快速限流器，電抗器沒(méi)有任何功耗，起到節(jié)約能源作用；當(dāng)回路出現(xiàn)短路電流時(shí)，快速限流器瞬間動(dòng)作，電抗器立刻投入，起到限制短路電流作用。

4.3 降低系統(tǒng)升級(jí)投資成本

當(dāng)對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)擴(kuò)充時(shí)，通常會(huì)遇到系統(tǒng)短路容量不足的情況，通過(guò)快速限流器將新舊兩個(gè)系統(tǒng)連接起來(lái)，是解決該類(lèi)問(wèn)題的一個(gè)很好方案，可以節(jié)約投資更換設(shè)備的費(fèi)用。

該項(xiàng)目最終采用Is技術(shù)型限流器，具體為ABB的Is—Limiter快速限流器（見(jiàn)圖3），通過(guò)在35kV母聯(lián)開(kāi)關(guān)串聯(lián)一臺(tái)ABB快速限流器，起到限制35kV母線(xiàn)d1處短路電流的目的。一般開(kāi)關(guān)設(shè)備采用存儲(chǔ)的機(jī)械能量作為開(kāi)關(guān)操作的能量，如彈簧機(jī)構(gòu)、液壓機(jī)構(gòu)，其動(dòng)作時(shí)間為幾十毫秒，如采用此類(lèi)操作機(jī)構(gòu)，無(wú)法保證在短路電流的峰值到達(dá)之前使開(kāi)關(guān)動(dòng)作。為使開(kāi)關(guān)快速動(dòng)作，ABB快速限流器采用一種新型的感應(yīng)填料填充在Is主回路本體內(nèi)作為動(dòng)作材料，其整個(gè)動(dòng)作時(shí)間為： T=T1+T2+T3<1ms

T1： 檢測(cè)裝置動(dòng)作時(shí)間15us

T2： Is快速限流器主回路動(dòng)作時(shí)間85us

T3： 熔斷器動(dòng)作時(shí)間500us

從啟動(dòng)到切斷短路電流，整個(gè)過(guò)程時(shí)間不超過(guò)600 us ，是目前世界上最快的Is技術(shù)型限流器。ABB的Is—Limiter快速限流器具有以下特點(diǎn)：

（1）運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低。那一相短路電流超過(guò)預(yù)定動(dòng)作值，那一相主回路本體動(dòng)作，其余相不動(dòng)作。動(dòng)作后的主回路本體返廠維修后，可重復(fù)使用，節(jié)省后續(xù)運(yùn)營(yíng)成本。

（2）快速恢復(fù)事故。主回路本體和熔斷器安裝在一個(gè)可更換的底座上，兩端為杠桿式的卡緊裝置，可以快速拆裝主回路本體，便于出現(xiàn)短路故障后的系統(tǒng)的快速恢復(fù)。

（3）安裝方式靈活。可以安裝在移動(dòng)手車(chē)上，推進(jìn)開(kāi)關(guān)柜；可以直接安裝在開(kāi)關(guān)柜柜內(nèi)或安裝在開(kāi)關(guān)柜頂部、母線(xiàn)橋架上。

（4）專(zhuān)用調(diào)試工具。ABB快速限流器配有專(zhuān)門(mén)的調(diào)試工具和調(diào)試軟件，通過(guò)測(cè)試裝置施加模擬電流，對(duì)啟動(dòng)值和動(dòng)作值進(jìn)行校驗(yàn)，檢測(cè)脈沖變壓器的脈沖信號(hào)是否發(fā)出，校驗(yàn)快速限流器動(dòng)作的可靠動(dòng)作。

5 結(jié)束語(yǔ)

多個(gè)主變變壓器并列運(yùn)行，導(dǎo)致系統(tǒng)短路電流超標(biāo)是目前很多煤化工工業(yè)客戶(hù)（包其他工業(yè)）一直困擾的問(wèn)題，本文通過(guò)對(duì)主變變壓

器并列運(yùn)行后的短路電流計(jì)算和分析，提出全新的快速限流器的解決方案。給出快速限流器在系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)，除了限制短路電流還可以避免短路故障時(shí)造成的母線(xiàn)電壓損失，與限流器并聯(lián)使用還可以起到節(jié)能的作用。對(duì)短路電流第一個(gè)大半坡峰值對(duì)電氣設(shè)備造成的不可逆損壞進(jìn)行闡述，希望能引起電氣設(shè)備管理者的重視。目前很多電氣設(shè)備（尤其是變壓器繞組、穿墻套管）都是因?yàn)槎搪窌r(shí)大半波沖擊電流的電動(dòng)力造成永久的損壞，所以，限制系統(tǒng)短路電流是一項(xiàng)重要工作，快速限流器的應(yīng)用在該項(xiàng)工作中扮演者重要的角色。

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