深度限流装置在电力工程设计中的应用

张亚麟

摘 要：分析了220 kV同益变电站10 kV侧加装深度限流装置的设计流程，举例说明了短路电流较大时，采用零压降、零损耗深度限流装置减小短路电流和损耗的原理，并探讨了新型、实用、节能的电网短路电流限制装置的应用实践。

关键词：变电站；短路电流；限流装置；电网

中图分类号：TM715 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.08.147

1 设计概述

随着电网装机容量的快速增大，短路电流频繁出现，电力重载地区已经出现或将要出现配置不到所需的大遮断容量断路器的情况。短路电流超过断路器的最大遮断容量时，需要采取电网分区运行、电磁解环、更换大遮断容量开关、开断线路、采用高阻抗变压器等限制短路电流的措施，而这些是以牺牲电网的安全性、可靠性和经济性为代价的。因此，研制新型、实用、节能的电网短路电流限制装置非常重要。

本文对在220 kV同益站低压侧短路电流过大处加装深度限流装置的方案进行了分析，与传统的限流电抗器进行了对比，并提出了使用时需要注意的事项。

220 kV同益站为广东省中山市西北部电网中重要的枢纽变电站，目前，其主变容量为3×240 MVA，10 kV侧已经安装了10%、4 000 A的限流电抗器。220 kV同益站的10 kV母线采用了分列运行的方式，#1主变供10 kV1M负荷，#2主变供10 kV2AM、2BM母线负荷，#3主变供10 kV 3M母线负荷，10 kV#1分段5012开关、#2分段5023开关备用。在此情况下，同益站母线最大短路电流的相关数据如表1所示。

由表1可知，当三台主变并列运行时，10 kV母线的短路电流将达到48.13 kA，为开关额定遮断电流的160.40%.此时，原系统中串联的电抗器的限流效果无法保证开关的运行安全及可靠开断，且在倒方式时需要停运母线，否则，短路电流会超过开关的遮断容量，进而引发开关无法分段的事故。

在现有的运行条件下，电抗器的限流深度为10%.由于三台主变或两台主变无法并列运行，所以，在倒方式时需要停运母线，否则，在发生近区短路故障时，因电抗器的限流深度不足，超标的短路电流会超过开关的遮断容量，进而引发断路器爆炸、电气设备受到冲击等事故。

由于电抗器的限流深度不足，在10 kV侧发生短路故障时，会对变压器造成冲击。如果冲击次数过多，则会导致变压器的绕组变形、绝缘下降，进而缩短了主变的使用寿命。如果某次短路冲击非常严重，则可能引发变压器的匝间短路、变压器短路等故障。

经估算，长期串联的10%、4 000 A的限流电抗器每年每台损耗高达133万元，且会在10 kV侧产生0.46 kV的压降，进而增加了AVC调节动作的频次。表2为本项目中10 kV侧长期串联10%、4 000 A的限流电抗器产生的损耗数据。

经分析，上述问题产生的原因有以下2点：①投运的限流电抗器的限流深度不足，更换限流深度更大的电抗器会增大系统的无功损耗，进而造成电压质量下降；②投运的电抗器在长期运行中的发热量较大，每年造成大量的电量损失和无功补偿损失，进而造成电压质量下降。

2 深度限流装置介绍

目前，加拿大麦克斯韦公司研发并投运了10 kV零压降、零损耗深度限流装置。具体而言，可将主变10 kV限流电抗器更换为限流深度为50%的深度限流电抗器，并在电抗器两端并接10 kV快速真空开关。当系统正常运行时，快速真空开关处于合闸状态，电抗器的某些部分无电流通过；当系统出现近区短路故障时，快速真空开关可在20 ms内分闸，并快速投入电抗器，从而限制短路电流，短路故障消除后电抗器退出，系统恢复正常运行。该装置安装方便，只需要将以往的限流电抗器换为零压降、零损耗的深度限流装置，并连接相应的铜排即可。

在220 kV同益站加装零压降、零损耗的深度限流装置后，实现了对短路电流的限制和节能降损。此方案的具体优点如下：①安装10 kV零压降、零损耗深度限流装置后，#1、#2和#3主变10 kV侧可并列运行，这增大了系统供电断面，提高了系统运行的灵活性。当发生近区短路故障时，可将短路电流限制在30 kA以内，从而满足开关遮断能力的要求，避免了因开关遮断能力不足而出现无法开断的情况，提高了母线分裂运行的安全性和可靠性。②安装10 kV零压降、零损耗深度限流装置后，可以避免大量更换大遮断容量断路器，进而降低了成本投入。③安装10 kV零压降、零损耗深度限流装置后，消除了因主变出口短路而造成的设备和系统故障，避免了10 kV侧短路故障对变压器的冲击，有效延长了主变的使用寿命，提高了设备网运行的可靠性，这有利于电网的安全运行、稳定供电。④安装10 kV零压降、零损耗深度限流装置后，解决了加装固定限流电抗器带来的系统压降、功率损耗、电能损失、电磁污染、系统动态稳定降低等问题。

3 设计方案

当电网中的短路电流超过断路器的最大遮断容量时，应在变压器出口串联安装无损耗限流器。当系统正常运行时，由短接电抗器的高速真空断路器承担负荷电流，一旦发生严重的短路故障，则高速真空断路器可在20 ms内断开分相开关，并介入电抗器，从而限制短路电流，使其处于系统可接受的范围内，避免断路器爆炸、电气设备受到冲击的事故的发生，实现电网的安全、经济运行。

4 原理分析

无损耗限流器的运行原理如图1所示。在图1中，换流器为高速大遮断容量真空断路器、测控器、保护等相关设备，T为主变，K为线路断路器。系统正常运行时，换流器处于关闭状态，系统工作电流只流过换流器，阻抗为0，没有损耗；当系统发生短路故障时，换流器在短路电流的第一个大半波过零时刻分开，断路器灭弧室内电弧燃烧时间<2 ms，且为大半波过零前的2 ms，电弧燃烧量较小，灭弧室可轻松开断短路电流，西高所型式试验的参数为80 kA，实验室开断电流可达120 kA以上。于此可见，投入限流装置后，可有效限制短路电流，系统断路器可轻易开断受到限制后的短路电流，换流器还可以配合线路重合闸动作退出。

当线路断路器K重合闸后，如果短路故障依然存在，则K会再次开断；如果短路故障消失、换流器合闸，则限流电抗器会退出限流工况。

对于在220 kV同益站#1、#2主变，可将其过度柜更换为限流器开关柜，并将限流电抗更换为原电抗。此外，还可在#3主变加装限流开关柜，从而起到良好的限流作用。

5 结束语

本文概述了220 kV变电站主变低压侧加装的深度限流装置的原理，并阐述了加装该装置的必要性，这对变电站的设计工作有一定的指导意义。

参考文献

[1]陈天祥.高压断路器在电力系统的应用[J].高压电器，1980（02）.

[2]西北电力设计院.电力工程电气设计手册[M].北京：中国电力出版社，1996.

〔编辑：张思楠〕