深度限流裝置在電力工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張亞麟

摘 要：分析了220 kV同益變電站10 kV側(cè)加裝深度限流裝置的設(shè)計(jì)流程，舉例說(shuō)明了短路電流較大時(shí)，采用零壓降、零損耗深度限流裝置減小短路電流和損耗的原理，并探討了新型、實(shí)用、節(jié)能的電網(wǎng)短路電流限制裝置的應(yīng)用實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：變電站；短路電流；限流裝置；電網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TM715 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.08.147

1 設(shè)計(jì)概述

隨著電網(wǎng)裝機(jī)容量的快速增大，短路電流頻繁出現(xiàn)，電力重載地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)或?qū)⒁霈F(xiàn)配置不到所需的大遮斷容量斷路器的情況。短路電流超過(guò)斷路器的最大遮斷容量時(shí)，需要采取電網(wǎng)分區(qū)運(yùn)行、電磁解環(huán)、更換大遮斷容量開關(guān)、開斷線路、采用高阻抗變壓器等限制短路電流的措施，而這些是以犧牲電網(wǎng)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性為代價(jià)的。因此，研制新型、實(shí)用、節(jié)能的電網(wǎng)短路電流限制裝置非常重要。

本文對(duì)在220 kV同益站低壓側(cè)短路電流過(guò)大處加裝深度限流裝置的方案進(jìn)行了分析，與傳統(tǒng)的限流電抗器進(jìn)行了對(duì)比，并提出了使用時(shí)需要注意的事項(xiàng)。

220 kV同益站為廣東省中山市西北部電網(wǎng)中重要的樞紐變電站，目前，其主變?nèi)萘繛?×240 MVA，10 kV側(cè)已經(jīng)安裝了10%、4 000 A的限流電抗器。220 kV同益站的10 kV母線采用了分列運(yùn)行的方式，#1主變供10 kV1M負(fù)荷，#2主變供10 kV2AM、2BM母線負(fù)荷，#3主變供10 kV 3M母線負(fù)荷，10 kV#1分段5012開關(guān)、#2分段5023開關(guān)備用。在此情況下，同益站母線最大短路電流的相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，當(dāng)三臺(tái)主變并列運(yùn)行時(shí)，10 kV母線的短路電流將達(dá)到48.13 kA，為開關(guān)額定遮斷電流的160.40%.此時(shí)，原系統(tǒng)中串聯(lián)的電抗器的限流效果無(wú)法保證開關(guān)的運(yùn)行安全及可靠開斷，且在倒方式時(shí)需要停運(yùn)母線，否則，短路電流會(huì)超過(guò)開關(guān)的遮斷容量，進(jìn)而引發(fā)開關(guān)無(wú)法分段的事故。

在現(xiàn)有的運(yùn)行條件下，電抗器的限流深度為10%.由于三臺(tái)主變或兩臺(tái)主變無(wú)法并列運(yùn)行，所以，在倒方式時(shí)需要停運(yùn)母線，否則，在發(fā)生近區(qū)短路故障時(shí)，因電抗器的限流深度不足，超標(biāo)的短路電流會(huì)超過(guò)開關(guān)的遮斷容量，進(jìn)而引發(fā)斷路器爆炸、電氣設(shè)備受到?jīng)_擊等事故。

由于電抗器的限流深度不足，在10 kV側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，會(huì)對(duì)變壓器造成沖擊。如果沖擊次數(shù)過(guò)多，則會(huì)導(dǎo)致變壓器的繞組變形、絕緣下降，進(jìn)而縮短了主變的使用壽命。如果某次短路沖擊非常嚴(yán)重，則可能引發(fā)變壓器的匝間短路、變壓器短路等故障。

經(jīng)估算，長(zhǎng)期串聯(lián)的10%、4 000 A的限流電抗器每年每臺(tái)損耗高達(dá)133萬(wàn)元，且會(huì)在10 kV側(cè)產(chǎn)生0.46 kV的壓降，進(jìn)而增加了AVC調(diào)節(jié)動(dòng)作的頻次。表2為本項(xiàng)目中10 kV側(cè)長(zhǎng)期串聯(lián)10%、4 000 A的限流電抗器產(chǎn)生的損耗數(shù)據(jù)。

經(jīng)分析，上述問(wèn)題產(chǎn)生的原因有以下2點(diǎn)：①投運(yùn)的限流電抗器的限流深度不足，更換限流深度更大的電抗器會(huì)增大系統(tǒng)的無(wú)功損耗，進(jìn)而造成電壓質(zhì)量下降；②投運(yùn)的電抗器在長(zhǎng)期運(yùn)行中的發(fā)熱量較大，每年造成大量的電量損失和無(wú)功補(bǔ)償損失，進(jìn)而造成電壓質(zhì)量下降。

2 深度限流裝置介紹

目前，加拿大麥克斯韋公司研發(fā)并投運(yùn)了10 kV零壓降、零損耗深度限流裝置。具體而言，可將主變10 kV限流電抗器更換為限流深度為50%的深度限流電抗器，并在電抗器兩端并接10 kV快速真空開關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，快速真空開關(guān)處于合閘狀態(tài)，電抗器的某些部分無(wú)電流通過(guò)；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)近區(qū)短路故障時(shí)，快速真空開關(guān)可在20 ms內(nèi)分閘，并快速投入電抗器，從而限制短路電流，短路故障消除后電抗器退出，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。該裝置安裝方便，只需要將以往的限流電抗器換為零壓降、零損耗的深度限流裝置，并連接相應(yīng)的銅排即可。

在220 kV同益站加裝零壓降、零損耗的深度限流裝置后，實(shí)現(xiàn)了對(duì)短路電流的限制和節(jié)能降損。此方案的具體優(yōu)點(diǎn)如下：①安裝10 kV零壓降、零損耗深度限流裝置后，#1、#2和#3主變10 kV側(cè)可并列運(yùn)行，這增大了系統(tǒng)供電斷面，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性。當(dāng)發(fā)生近區(qū)短路故障時(shí)，可將短路電流限制在30 kA以內(nèi)，從而滿足開關(guān)遮斷能力的要求，避免了因開關(guān)遮斷能力不足而出現(xiàn)無(wú)法開斷的情況，提高了母線分裂運(yùn)行的安全性和可靠性。②安裝10 kV零壓降、零損耗深度限流裝置后，可以避免大量更換大遮斷容量斷路器，進(jìn)而降低了成本投入。③安裝10 kV零壓降、零損耗深度限流裝置后，消除了因主變出口短路而造成的設(shè)備和系統(tǒng)故障，避免了10 kV側(cè)短路故障對(duì)變壓器的沖擊，有效延長(zhǎng)了主變的使用壽命，提高了設(shè)備網(wǎng)運(yùn)行的可靠性，這有利于電網(wǎng)的安全運(yùn)行、穩(wěn)定供電。④安裝10 kV零壓降、零損耗深度限流裝置后，解決了加裝固定限流電抗器帶來(lái)的系統(tǒng)壓降、功率損耗、電能損失、電磁污染、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定降低等問(wèn)題。

3 設(shè)計(jì)方案

當(dāng)電網(wǎng)中的短路電流超過(guò)斷路器的最大遮斷容量時(shí)，應(yīng)在變壓器出口串聯(lián)安裝無(wú)損耗限流器。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，由短接電抗器的高速真空斷路器承擔(dān)負(fù)荷電流，一旦發(fā)生嚴(yán)重的短路故障，則高速真空斷路器可在20 ms內(nèi)斷開分相開關(guān)，并介入電抗器，從而限制短路電流，使其處于系統(tǒng)可接受的范圍內(nèi)，避免斷路器爆炸、電氣設(shè)備受到?jīng)_擊的事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4 原理分析

無(wú)損耗限流器的運(yùn)行原理如圖1所示。在圖1中，換流器為高速大遮斷容量真空斷路器、測(cè)控器、保護(hù)等相關(guān)設(shè)備，T為主變，K為線路斷路器。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，換流器處于關(guān)閉狀態(tài)，系統(tǒng)工作電流只流過(guò)換流器，阻抗為0，沒有損耗；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，換流器在短路電流的第一個(gè)大半波過(guò)零時(shí)刻分開，斷路器滅弧室內(nèi)電弧燃燒時(shí)間<2 ms，且為大半波過(guò)零前的2 ms，電弧燃燒量較小，滅弧室可輕松開斷短路電流，西高所型式試驗(yàn)的參數(shù)為80 kA，實(shí)驗(yàn)室開斷電流可達(dá)120 kA以上。于此可見，投入限流裝置后，可有效限制短路電流，系統(tǒng)斷路器可輕易開斷受到限制后的短路電流，換流器還可以配合線路重合閘動(dòng)作退出。

當(dāng)線路斷路器K重合閘后，如果短路故障依然存在，則K會(huì)再次開斷；如果短路故障消失、換流器合閘，則限流電抗器會(huì)退出限流工況。

對(duì)于在220 kV同益站#1、#2主變，可將其過(guò)度柜更換為限流器開關(guān)柜，并將限流電抗更換為原電抗。此外，還可在#3主變加裝限流開關(guān)柜，從而起到良好的限流作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文概述了220 kV變電站主變低壓側(cè)加裝的深度限流裝置的原理，并闡述了加裝該裝置的必要性，這對(duì)變電站的設(shè)計(jì)工作有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]陳天祥.高壓斷路器在電力系統(tǒng)的應(yīng)用[J].高壓電器，1980（02）.

[2]西北電力設(shè)計(jì)院.電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，1996.

〔編輯：張思楠〕