解决35 kV 母线短路电流超限的方法

薛葵

(云南省电力设计院，昆明 650051)

0 前言

电网建设的增速也日趋加大，原有建成项目的设备面临开断能力不足，不能满足目前或远景年短路水平要求的现状，而许多设备本身还未达到其使用年限，更换势必造成投资的增加和浪费，而且改造周期内会造成大面积停电等问题，以下通过一个具体项目的解决方案来进行较为深入的探讨。

1 应用实例

某自备电厂现有规模为:一期额定功率为30 MW 的发电机组2 台和二期额定功率为60 MW 的发电机组1 台。本期扩建工程在充分利用一期和二期工程建设的公用设施和预留场地的基础上，新建额定容量为1×45 MW 的发电机组。发电厂输送电力全部自用。配套建设本期额定容量为45 MW 的背压汽轮发电机组，实现煤、电、化资源的综合利用。

图1 电气一次主接线

自备电厂现有规模为:一期额定功率为30 MW 的发电机组2 台和二期额定功率为60 MW 的发电机组1 台。本期扩建工程在充分利用一期和二期工程建设的公用设施和预留场地的基础上，新建额定容量为1×45 MW 的发电机组。

35 kV 系统为双母线接线方式，两回35 kV架空进线正常运行方式为一回运行、一回备用，在发电机故障情况下切除相应负荷，在负荷故障情况下切除相应发电机组。各发电机端经限流电抗器向厂用电负荷供电。

2 35 kV 系统存在问题

1)35 kV 架空配网系统侧短路阻抗标幺值为0.070 282 (基准容量100 MVA)，基准容量取SB=100 MVA，基准电压取运行电压平均值36.75/6.3 kV，计算结果可以看出:若远景年 (2025年)该热电厂仅投运一期1、2#容量为30 MW 的发电机，35 kV 母线短路电流已达26.56 kA，而一、二期现有35 kV 设备短路容量仅为25 kA，因此，当远景年近区电网结构加强、规划新建电源投产以后，35 kV 母线故障情况下短路电流最大值将超标［2］，造成如下危害，若不采用其他的接入系统方案或限流措施，将无法满足自备电厂和生产负荷的安全稳定运行要求:电源与负荷不匹配，需要经常调整运行和生产方式，存在严重的生产和运行安全隐患。

2)当供电局的35 kV 架空电网发生短路时，靠四台发电机的支撑，35 kV 母线电压只能维持在16.261 kV，只有额定值的44.25 %。由此可见，由于供电局的35 kV 架空电网短路引起的南磷寻甸“外网晃电”事故应当是很频繁的［1，3］。

3 电厂35 kV 系统解决方案

3.1 串联限流电抗器方案

分别取限流电抗器的电抗值为1.583 9 Ω、5.009 7 Ω 和5.970 6 Ω，35 kV 系统三相短路计算结果列于表1。

表1 串联限流电抗器后寻甸35 kV 母线三相短路计算结果

兼顾热电厂和变电站两侧断路器的开断压力，以及架空电网短路时对南磷寻甸35 kV 母线残压的影响，选择限流电抗值5.970 6 Ω 较为合适。由于限流电抗器正常运行时串联在线路中，不可避免地产生巨大的电能损耗。按照35 kV 架空进线最大传输功率15 MVA 考虑，电抗器的额定电流应为300 A，则限流电抗率为8.864%。

3.2 限流电抗器并联爆炸开关

如图2 所示，大容量快速开关主要由载流桥体、限流熔断器、氧化锌组件和测控单元构成［4］。可以在短路故障发生后的1 ms 左右实现截流，3 ms 之内完成首开相的开断。

图2 大容量快速开关

正常运行时，工作电流经载流桥体流过，发生短路时测控单元在0.3～0.4 ms 之内迅速作出判断并发出动作指令，载流桥体在0.15 ms 之内分断;限流熔断器在流经大的短路电流后在0.5 ms 左右熔断，将短路电流强行截断;在限流熔断器熔断时的电弧电压作用下氧化锌组件立即导通并称在续流，随着能量的被消耗电流逐渐衰减到零。并联大容量快速开关后，正常运行时限流电抗器被短接，不存在电能损耗问题，发生短路时最快在3 ms 将电抗器串入实现限流。但大容量快速开关在每次动作后都必须更换一次性的元件载流桥体和限流熔断器，不仅维护工作量大，运行费用高，还存在更换不及时的问题。

3.3 其他限流方案

也有采用高阻抗变压器来限制短路电流的，与串联限流电抗器相比没有什么大的区别，同样存在电能损耗和电压降落的问题。

近年由限流电抗器与电容器串联构成的串联谐振型限流方案也完成了挂网试验。正常运行时电容器抵消了限流电抗器的感抗，不会产生无功损耗。一旦线路发生短路故障，则通过放电间隙、电子开关和旁路开关将补偿电容短接，由限流电抗器限制短路电流。但当流过负荷电流时仍然会在限流电抗器的电阻上产生有功损耗。尽管这种有功损耗比起未加补偿电容前要小得多，但仍然不可忽视。更重要的是，这种限流方案技术复杂、体积庞大、造价高而且可靠性并不理想。

带有铁芯的具有直流偏磁绕组的电抗器也在研制过程中。正常运行时电抗器受直流偏磁的影响工作在低阻抗区，一旦发生短路立即撤出偏磁直流，电抗器进入高阻抗区限制短路电流。与串联谐振限流方案相比，尽管取消了电子开关，但又增加了整流设备和控制设备，同样存在技术复杂、体积庞大、造价高以及有功损耗等问题。而且这种直流偏磁式限流电抗器，若用于高压、超高压电网还有很多技术问题需要研究。

超导限流方案是近年来国内外比较热门的课题［5］。正常运行时超导体限流器工作在临界参数(电流、温度或磁通)以下的超导状态，一旦发生短路时超导体立即进入失超状态，呈现高阻抗限制短路电流。这种超导限流方案尽管目前成为国内外的热门话题，但由于体积庞大、技术复杂，价格贵，可靠性有待于进一步考验。

4 优化设计

4.1 无损耗深度限流装置

4.1.1 结构原理

无损耗深度限流装置主要由快速换流器、深度限流器和快速识别器等组成。正常运行时，快速换流器处于合闸位置，将深度限流器短接，限流装置工作在“无损耗”状态。一旦发生短路时，快速识别器在2 ms 之内快速作出判断并向快速换流器发出动作指令，快速换流器在接到动作指令后的5 ms 左右快速分闸，将深度限流器串入实现深度限流。当故障切除后，快速识别器立即控制换流器合闸，限流装置恢复到无损耗运行状态。

4.1.2 主要特点

速度快、无损耗、寿命长。该装置可通过数据接口、光纤、光电转换器将现地的A、B、C 三相限流装置的实时数据与电厂控制室内的监控后台实现远程数据交换。

4.1.3 关键技术

“快速动作”和“快速判断”是无损耗深度限流装置的两项关键技术。

短路故障的快速识别技术如图2 所示。为能实现对短路故障的快速识别，需要将通常的有效值判据I≥Izd 改为电流瞬时值与电流变化率同时越线作为判据。按照快速识别器所需要的最短运算时间t0与最大短路电流曲线iK 交点处的纵坐标作为瞬时值整定值iL，iL 与izd 交点处的斜率作为电流变化率整定值。如果在瞬时值条件满足之前，至少连续10 点满足电流变化率的条件，则判定为电流有限制超过整定值，发出动作指令。

利用短路故障快速识别技术开发的用于大容量快速开关装置中的测控单元，用该项技术开发的无损耗深度限流装置的快速识别器，可以在2 ms 之内作出判断并发出动作指令，为深度限流器的快速投入创造了条件。

图2 短路故障的快速识别技术

主要由分合闸线圈、涡流盘、储能电容、充电电源等组成。接通工作电源后，储能电容很快完成充电。需要分闸时，分闸控制开关接通，分闸储能电容向分闸线圈放电，产生强度很高的脉冲电流;脉冲电流在分闸线圈产生的脉冲磁场穿过涡流盘并在涡流盘中感应出涡流;涡流磁场与脉冲磁场之间的排斥力推动涡流盘向下运动，同时带动动触头完成分闸。合闸过程正好相反，合闸线圈的涡流磁场推动涡流盘向上运动并带动动触头完成合闸。

利用快速涡流驱动技术开发的快速真空断路器，合闸时间可以做到10 ms 左右，分闸时间可以控制在5 ms 以内。利用快速真空断路器作为无损耗深度限流装置的快速换流器，为深度限流器的快速投入奠定了基础。

图3 快速涡流驱动技术原理图

5 结束语

针对部分老厂改造项目，采用无损耗深度限流装置是一个既能节省投资，又能大大减少施工周期，而且满足安全运行要求的较好方案之一。解决了远景年一、二、三期发电机投运后带来的短路电流超标问题，使发电机接入系统方案达到最优，采用无损耗深度限流装置进行优化设计后发电机组接入系统方案更加经济合理，提高35 kV系统承受外网“晃电”的能力。

［1］水利电力部西北电力设计院.电力工程电气设计手册［Z］.

［2］DL/T 5222－2005.导体和电器选择设计技术规定［S］.

［3］李延军.企业电网运行中的新问题［Z］.2008 年，中国企业协会培训教材.

［4］李品德，等.电力系统故障电流限制器的应用与研制现状［J］.2000，36 期.

［5］肖立业，等.有源超导限流器［J］.低温物理学报，2003年，第25 卷增刊.

［6］肖立业，等.基于超导磁体和电力电子的新型桥路超导限流器［J］.低温物理学报，2005 年，第27 卷第5 期.

［7］黄永宁，等.快速真空断路器在限流技术中的应用［J］.宁夏电力，2014 年第6 期.