限流电抗器应用中存在问题及解决对策

1 前言

在电力系统中，限流电抗器主要作用是当电力系统发生短路故障时，利用其电感特性，限制系统的短路电流，降低短路电流对系统的冲击，同时降低断路器选择的额定开断容量，节省投资费用，同时提高系统的残压。但使用限流电抗器后，会存在很大的电能损耗，系统有大的波动时如启动大容量电动机产生大的电压降影响其它设备正常运行，使发电机调压困难影响系统稳定。同时对周围供电设备、建筑物以及通讯设施都会产生较大的影响，甚至造成设备异常。如何消除电抗器产生的影响，已经成为电力系统正常运行中所面临的一个非常重要的问题。

2 问题的提出

恒通化工热电厂现有三台60MW发电机，三台15MW发电机，总装机容量22.5万KW,年发电量12.7亿度。厂用电采用6KV供电，由发电机出口直接供给。为限制短路电流而串接限流电抗器给两段6KV母线供电，6KV系统采用单母线分段式接线，厂用电系统主接线(以4#发变组为例)见图1。

图 1

在运行过程中，发现以下问题

2.1 当启动大容量电动机如给水泵时，6kv母线电压降低到80%左右影响其它电机及用户正常使用。曾经出现过两台给水泵同时启动时电抗器后备保护动作跳闸的事故，严重影响了系统的安全稳定运行。

2.2 当电抗器运行在额定电流70%左右时，电抗器线圈发热严重，出现绕组过热变色现象。

2.3 电抗器长期串联在系统中本身消耗巨大无功及有功，导致运行不经济

2.4 系统受到大扰动时电压波动大，给发电机电压调节造成困难，影响系统稳定

3 问题的解决对策

3.1 解决思路

为了解决这个问题，经过技术咨询和考察，发现利用国内一种大容量高速开关装置(简称FSR装置)可消除电抗器产生的影响。具体解决办法是将FSR装置并联在电抗器两端，如图2。

图 2

正常运行时， 高速开关装置(FSR)将电抗器短接，由于FSR阻抗约为0.1mΩ(其中直流电阻约20μΩ)，而电抗器阻抗一般在0.15～0.9Ω(即150 mΩ～900 mΩ)之间，所以正常运行时电抗器被FSR短接而不起作用电流流经高速开关装置，当厂用6KV母线及以下出现短路故障时，高速开关快速熔断，将电抗器投入主回路中限制短路电流，而短路故障仍由故障处断路器开断。

3.2 FSR装置的工作原理

该装置主要由桥体FS、熔断器FU、非线性电阻FR及测控单元等组成，简称FSR。FS与FU阻抗相比为1∶2 000。因此正常运行时工作电流经FS流过。系统发生故障短路时，接到测控单元的分断命令后，FS在0.15 ms之内爆破断开，电流转移至FU。FS断开后全部短路电流转移到FU，使FU在0.5 ms内熔断，并产生足够的弧压。FU断开时产生的弧压使其导通，吸收FU开断后产生的电弧能量及电源注入的能量，使FU顺利熄弧，并把断开时的过电压限制在允许的2.5倍相电压范围内。检测电流和电流变化率，当电流幅值和电流变化率同时超过定值时，判断为短路发生，并采用3个相同的独立工作的测控部件，以 “三取二”动作方式做出判断，向FS发出分断信号。如图3

图3

桥体FS：因FS电阻为uΩ级，而熔断器FU电阻为mΩ级，故正常时工作电流经桥体流过，短路时接到测控单元的分断命令后，在0.15ms之内爆破断开，电流转移到熔断器FU。

熔断器FU：FS断开后，全部短路电流转移到熔断器，在0.5ms以内熔断器熔断，并产生足够的弧压。

非线性电阻FR：熔断器熔断时产生的弧压使其导通，吸收电感中存在的磁能及电源注入的能量，使熔断器顺利熄弧，同时把开断时的过电压限制在2.5倍的额定相电压之内。

测控单元：检测电流和电流变化率，当电流幅值和电流变化率同时超过整定值时，判断为短路发生，采用三个相同的独立工作的CPU部件，以“三取二”表决方式判断，向桥体发出分断命令。

3.3 FSR装置的特点

3.3.1载流量大：目前国内真空断路器额定电流只能做到4kA，而FSR装置最大额定电流可做到12kA，完全可满足目前电力系统的需要。

3.3.2开断速度快：短路电流在1ms以内被截流，3ms之内衰减为零，故障被完全切除。与传统的断路器继电保护方式相比，短路故障切除速度提高20倍以上。

3.3.3开断过程中无危害性过电压：氧化锌良好的非线性特性，可将开断过电压限制在2.5倍的额定相电压以内。

3.3.4开断容量可以足够大：目前可做到240kA，足以满足一般情况下切断短路电流的需要。

3.3.5灵敏度更高：故障时电流变化率增加明显，该装置引入了电流变化率作判据，灵敏度更高。

3.4 FSR装置动作电流整定原则

3.4.1当初在6kV母线进线处设计限流电抗器，其目的是降低6kV系统三相短路电流。发生三相短路故障时，电抗器应可靠投入，从而要求FSR装置在短路电流上升的初始阶段应可靠断开，故FSR动作值应取90%的三相短路电流值。

3.4.2其它负荷正常运行时，应躲过最大配电变压器空载合闸电流，并取1.3倍的可靠系数。

3.4.3其它负荷正常运行时，应躲过最大电动机的启动电流，也取1.3倍的可靠系数。

综合以上三种情况，选择最大电流做为FSR装置的动作电流

3.5 应用实践

我厂4#机组采用电抗器与FSR装置并联运行方案后，解决了电抗器产生的影响。

3.5.1由于正常运行时，电抗器被短接无电流流过，解决了运行中发热严重的问题，系统受到大扰动时电压波动大，发电机电压调节也十分方便。

3.5.2消除了电抗器产生的电压降，提高了电压质量。

3.5.3启动大容量电动机如给水泵时，6kv母线电压降仅为5℅左右，保证了系统的安全稳定运行。

3.5.4消除了电抗器产生的电能损耗,节能效果显著,年节约电费12.4万元。

通过查阅电抗器手册中电抗器额定容量、功率损耗等参数，以及我厂4#机组运行实际。电抗器年功率损耗计算如下： A=3×⊿A×T=3×β2× (⊿P+⊿Q)×T

(⊿P=PK=12.196KW ⊿Q=0.02Se β=I /Ie Ie =2000A运行电流I=1240A)

A=3×⊿A×T=3×β2×(⊿P+0.02Se)×T=3×0.622× (12.196+0.02×924×24×365=10102.032×30.676=309889.9336

每度电按0.4元计算，电抗器年损耗：

0.4×A =0.4×30.9889=12.3955万元/年

4 结束语

综上所述，采用高速开关装置与电抗器并联是一种经济实用的限流方案。不但解决了高压断路器选择的经济性，而且从根本上避免了正常运行中串入电抗器带来的电压降、电能损耗和漏磁场等问题，提高了厂用电系统的功率因数、电能质量，有利于系统的安全节能运行，是值得推广的一种经济运行方式。

参考文献：

[1] 王川、李延军. 用于大型同步发电机出口及厂用变分支大容量快速开断装置[J] 2002，(1-2),92-98

[2] 方大千 电工计算手册(增订版) 山东科学技术出版社 1993.06

[3] 李桂中 现代电力工程师技术手册 天津大学出版社出版 1994.12