段正華,侯 豐

(云南馳宏鋅鍺股份有限公司,云南 曲靖 655000)

0 引言

云南馳宏曲靖冶煉廠的220 kV 變電站,自建成已經(jīng)安全運(yùn)行十余年。近年來(lái)該廠隨著精深加工項(xiàng)目的逐步建設(shè),用電負(fù)荷也在不斷增加,原有的2 臺(tái)31.5 MVA 主變壓器已經(jīng)不能滿足供電需求,需要增容到2 臺(tái)50 MVA 主變壓器。主變?nèi)萘吭黾右?0 kV 系統(tǒng)短路電流增大,為保證10 kV 系統(tǒng)安全運(yùn)行,需要采取措施限制10 kV 系統(tǒng)短路電流。本文對(duì)比多種限制短路電流方案,論述深度限流技術(shù)和裝備在實(shí)際工程的應(yīng)用。

1 改造前供配電系統(tǒng)情況

圖1 為改造前該廠的電氣主接線示意圖。總降壓內(nèi)設(shè)兩臺(tái)220 kV 主變,220 kV 系統(tǒng)為雙母線接線,兩臺(tái)主變壓器容量為31.5 MVA,10 kV 系統(tǒng)為單母線分段接線。10 kV 系統(tǒng)主要出線包括:鋅系統(tǒng)10 kV 配電站、鉛系統(tǒng)10 kV 配電站、硫酸10 kV配電站、鍺10 kV 配電站、鋅合金10 kV 配電站、10MW 余熱發(fā)電站。

圖1 改造前電氣主接線示意圖

2 增容主變帶來(lái)的問(wèn)題

該220 kV 變電站由于生產(chǎn)需要,兩臺(tái)主變?nèi)萘啃栌?1.5 MVA 更換為50 MVA。原系統(tǒng)兩臺(tái)變壓器并列運(yùn)行時(shí),10 kV 系統(tǒng)短路電流約為27.5 kA,增容后10 kV 系統(tǒng)短路電流增加到43.64 kA。原有10 kV 開(kāi)關(guān)柜短路遮斷電流為31.5 kA,無(wú)法滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求。因此需要考慮在主變10 kV 側(cè)加裝限制短路電流的設(shè)備,與此同時(shí),除滿足繼電保護(hù)具備選擇性、靈敏性外,應(yīng)考慮受限的安裝空間及節(jié)能需求。

3 限流方案選擇

3.1 采用傳統(tǒng)的限流電抗器

限流電抗器不考慮其過(guò)負(fù)荷能力,因此取其額定電流為變壓器低壓側(cè)最大可能工作電流,額定電壓取系統(tǒng)工作電壓。額定電抗率可按公式(1)選擇[1]。

式中Ij—基準(zhǔn)電流,A;

I″—被電抗器限制后要求的短路次暫態(tài)電流,kA;

X*j—以Uj、Ij為基準(zhǔn),從網(wǎng)絡(luò)計(jì)算至所選用的電抗器前的電抗標(biāo)幺值,A;

Iek—電抗器的額定電流,A;

Uj—基準(zhǔn)電壓,kV。

將系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)帶入公式(1),計(jì)算得額定電流Iek=3 150 A、額定電抗率Xk%=19%。

正常工作時(shí)電抗器的電壓損失不應(yīng)大于母線額定電壓的5%。按公式(2)校驗(yàn)電壓損失。

式中Ig—正常通過(guò)的工作電流,A。

sinφ取0.6,將計(jì)算數(shù)據(jù)帶入,校驗(yàn)通過(guò)。

除外此種電抗器制造工藝難度大、能耗較高的限制,受工程周期、安裝地點(diǎn)局限性、成本等諸多因素的影響,該類(lèi)型限流電抗器與此次改擴(kuò)建項(xiàng)目融合度較低。

3.2 限流電抗器+FSR 方案

3.2.1 節(jié)能原理

圖2 示意了此方案應(yīng)用旁路辦法節(jié)能原理,電抗器損耗節(jié)能收益巨大,正常運(yùn)行時(shí)爆炸橋投入使用,工程取阻抗可忽略不計(jì),消除正常工作模式下電抗器的有功損耗,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

圖2 爆炸橋并聯(lián)電抗器原理圖

3.2.2 爆炸橋基本原理

爆炸橋本質(zhì)上是一種組合電器,其內(nèi)置炸藥金屬載流橋及限流熔斷器。圖3 中d點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí),橋體快速爆炸。將短路電流在熔斷器及電抗器中進(jìn)行轉(zhuǎn)換,短路電流將快速熔斷器演變成高阻狀態(tài),限流熔斷器迅速炸裂,短路電流流經(jīng)電抗器,達(dá)到限流作用。

圖3 爆炸橋原理圖

選用此種方案能夠有效節(jié)能,提高電源有功輸出,但是維護(hù)工作量較大:每當(dāng)短路電流發(fā)生后,需立即更換爆炸橋,更換配件尚應(yīng)考慮遠(yuǎn)景與近景兩種情況,近景可以及時(shí)購(gòu)買(mǎi)爆炸橋,配件費(fèi)用較大;遠(yuǎn)景看來(lái)變電站需要運(yùn)行相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間,備品備件的存儲(chǔ)及長(zhǎng)久供貨廠家的生產(chǎn)能力令人擔(dān)憂,暫無(wú)統(tǒng)一的布置接口與標(biāo)準(zhǔn)尺寸及規(guī)程。因此從運(yùn)行角度看,這種方案對(duì)于公司適合度較低。另外該方案設(shè)備體積龐大,安裝空間也無(wú)法滿足建設(shè)需求。

3.3 采用高阻抗變壓器

采用該方案達(dá)到限制短路電流的目的,需要主變的阻抗電壓不低于21%,按照系列標(biāo)準(zhǔn)選型的話,需要選擇阻抗電壓為23%的產(chǎn)品。與方案1 相比,能夠解決安裝空間受限問(wèn)題和空心電抗器漏磁場(chǎng)問(wèn)題,但高阻抗主變同樣存在損耗偏高問(wèn)題,而且造價(jià)約為標(biāo)準(zhǔn)阻抗變壓器的2.5 倍,經(jīng)濟(jì)性并不明顯。

3.4 串聯(lián)深度限流裝置

在變壓器低壓側(cè)串入額定電壓10 kV、額定電流3 150 A、額定電抗率19%的深度限流裝置。該類(lèi)型設(shè)備安裝占地面積小,完全滿足改造功能要求。

表1 方案技術(shù)性能對(duì)比表

4 深度限流裝置技術(shù)特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

零損耗深度限流裝置,主要由換流器及限流電抗器組成。換流器包含快速斷路器、羅克CT、分相控制器及返回CT。換流器主要元件為渦流驅(qū)動(dòng)快速斷路器,正常運(yùn)行時(shí),將限流電抗器短路,短路故障發(fā)生時(shí),分相控制器迅速(短路電流第一次過(guò)零)下達(dá)指令,退出快速斷路器,投運(yùn)限流電抗器,分閘快速斷路器指令可在5 ms 內(nèi)下達(dá),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)深度限流。與爆炸橋相比,無(wú)需更換熔斷器[2-3],大大減輕運(yùn)維工作。

目前,10 kV 彈簧機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的真空斷路器廣泛應(yīng)用在變配電領(lǐng)域,其固有分閘時(shí)間約25 ms 左右[4],校驗(yàn)電氣設(shè)備短路耐受能力時(shí)間一般取斷路器固有分閘時(shí)間及繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間之和[5],帶時(shí)限保護(hù)更加考驗(yàn)電氣設(shè)備短路耐受能力。“零前分閘”相控技術(shù)為限流裝置的關(guān)鍵技術(shù)之一,考慮動(dòng)作時(shí)限,可在短路電流過(guò)零時(shí)投入限流電抗器。完成“零前分閘”需要對(duì)故障電流做出快速判斷,預(yù)測(cè)故障電流過(guò)零點(diǎn),根據(jù)“渦流驅(qū)動(dòng)”快速真空斷路器的基本特性,控制器擬合采集數(shù)據(jù),在3 ms 內(nèi)甄別短路電流,給出動(dòng)作判斷,觸發(fā)相應(yīng)指令及元件,準(zhǔn)確分閘,投入電抗器。將深度限流特點(diǎn)總結(jié)如表2所示。

表2 裝置特點(diǎn)總結(jié)表

5 改造后供配電系統(tǒng)情況

為了解決主變?cè)鋈莺蠖搪冯娏鞒瑯?biāo)問(wèn)題,綜合考慮投資、能耗、壓降、電磁干擾、發(fā)熱、噪聲等一系列問(wèn)題,最終采用在主變低壓側(cè)串聯(lián)安裝零損耗深度限流裝置的方案。

圖4 改造后電氣主接線圖

6 系統(tǒng)運(yùn)行情況

自主變擴(kuò)容改造安裝限流裝置投入運(yùn)行以來(lái),共發(fā)生四次限流裝置動(dòng)作,動(dòng)作具體數(shù)據(jù)如下:

(1)2019 年6 月16 日,系統(tǒng)10 kV 側(cè)短路,短路電流12 560 A,限流裝置在20 ms 內(nèi)可靠斷開(kāi),投入限流電抗器,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

(2)2019 年9 月26 日,系統(tǒng)10 kV 側(cè)短路,短路電流12 948 A,限流裝置在15 ms 內(nèi)可靠斷開(kāi),投入限流電抗器,短路電流被限制在2 800 A 以下,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

(3)2020 年7 月1 日,系統(tǒng)10 kV 鋅焙燒廠1#循環(huán)水泵電機(jī)故障,短路電流18 741 A,限流裝置在20 ms 內(nèi)可靠斷開(kāi),投入限流電抗器,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

(4)2020 年8 月3 日,系統(tǒng)10 kV 側(cè)電纜短路,短路電流16 115 A,限流裝置在20 ms 內(nèi)投入限流電抗器,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

7 結(jié)論

文中分析了目前國(guó)內(nèi)常規(guī)限制短路電流的一些措施,著重介紹了一種10 kV 零損耗深度限流裝置關(guān)鍵技術(shù)及特性,通過(guò)一年來(lái)實(shí)際運(yùn)行情況,將預(yù)期短路電流限制在原有設(shè)備允許范圍以內(nèi),運(yùn)行效果良好,對(duì)于類(lèi)似工程具有借鑒及指導(dǎo)意義。