1  一廠問題的(de)提出

（1）接線圖 

（2）說明(míng)

50MVA主變10kV母線和(hé)40MW發電機10kV母線通(tōng)過聯絡線連接，形成發變組接線。若10KV母線區(qū)域發生短路故障（例如F1點），則主變B1向故障點可(kě)提供29KA短路電流，G1發電機向故障點可(kě)提供17kA短路電流，即流過故障點的(de)總電流爲46kA。一廠10kV系統斷路器的(de)額定短路開斷能力爲50kA，可(kě)以滿足要求。

問題在于：拟擴建4路饋線去造紙廠，造紙廠側的(de)斷路器額定短路開斷能力大(dà)多(duō)爲31.5kA，個(gè)别甚至爲25KA。若造紙廠側發生短路（例如F2點），則故障電流幾乎接近46kA，對(duì)系統安全帶來(lái)巨大(dà)威脅。如何解決這(zhè)個(gè)問題？

2  解決方案

2.1  業主的(de)初步想法

業主的(de)初步想法是采用(yòng)限流措施限制短路電流，比如在圖1聯絡線的(de)A點接入限流裝置，或在擴建區(qū)域加裝限流設備，備選方案有：

（1）限流電抗器+基于爆破切割技術的(de)限流器；

（2）“深度限流裝置”，即限流電抗器+高(gāo)速開關；

（3）在擴建區(qū)域加裝“母線殘壓保護裝置”，即電阻器+高(gāo)速開關。

2.2  陝西藍河(hé)電氣提供的(de)分(fēn)析及建議(yì)

2.2.1 關于“深度限流裝置”及“母線殘壓保護裝置”

（1）原理(lǐ)及關鍵技術問題

圖2   深度限流及母線殘壓保護

如圖2所示，所謂“深度限流裝置”就是在限流電抗器上并聯一台高(gāo)速真空斷路器，需要限流時(shí)使斷路器CB1分(fēn)閘，不需要限流時(shí)使斷路器CB1合閘以消除電抗器的(de)有功及無功損耗。所謂“母線殘壓保護裝置”核心就是用(yòng)一台電阻器取代“深度限流裝置”中的(de)電抗器，檢測到短路故障後給斷路器CB2發出分(fēn)閘命令投入大(dà)電阻限流，判斷故障消除後再給CB2發出合閘命令旁路大(dà)電阻。市場(chǎng)上把上述兩個(gè)産品戲稱爲“一魚兩吃(chī)”。

上述兩個(gè)産品的(de)關鍵技術問題是：

其一，從短路故障發生到故障電流從CB1或CB2成功轉移到電抗器或電阻器支路中的(de)最大(dà)時(shí)間間隔是多(duō)少？

其二，在故障電流成功轉移之前的(de)這(zhè)段時(shí)間是否具有限流能力，即斷路器本身是否具有限流功能？

根據查閱國家權威機構的(de)試驗檢測數據及相關試驗報告上得(de)知，高(gāo)速真空斷路器分(fēn)閘時(shí)間4ms-6ms，但這(zhè)個(gè)分(fēn)閘時(shí)間（分(fēn)閘時(shí)間的(de)定義請參看GB1984  交流高(gāo)壓斷路器）隻是斷路器在空載狀态下(xià)的(de)動作時(shí)間，完全不能等同于上述時(shí)間間隔。從試驗報告所附的(de)波形圖得(de)知，高(gāo)速真空斷路器的(de)全開斷時(shí)間（從故障電流發生到故障電流完全切除的(de)時(shí)間間隔）範圍13ms-30ms，見下(xià)圖：

圖3  高(gāo)速開關開斷故障電流的(de)波形圖

顯然，這(zhè)個(gè)全開斷時(shí)間=故障電流識别時(shí)間+分(fēn)閘時(shí)間+燃弧時(shí)間。隻有在這(zhè)個(gè)時(shí)間間隔後，故障電流才可(kě)能轉移到其它支路中去。也(yě)就是說，在一切控制正常的(de)情況下(xià)，從故障電流發生到故障電流成功轉移到限流支路中的(de)最大(dà)時(shí)間間隔爲30ms，這(zhè)就回答(dá)了(le)第一個(gè)關鍵技術問題。

至于第二個(gè)關鍵技術問題：斷路器開斷過程中是否具有限流功能？這(zhè)是一個(gè)基本常識，所有真空或SF6斷路器都不具備限流功能，它們隻能在故障電流自然過零點才能開斷。

（2）電力系統抗短路電流能力的(de)表征參數

其一，額定短時(shí)耐受電流，俗稱熱(rè)穩定電流，IEC及國家标準規定在此電流作用(yòng)下(xià)電氣設備及系統應能承受1s-4s而不損壞。對(duì)于開關設備而言，額定短時(shí)耐受電流=額定短路開斷電流。

其二，額定峰值耐受電流，俗稱動穩定電流，即在此峰值電流産生的(de)電動力的(de)作用(yòng)下(xià)，電氣設備不應結構不應因爲受力而損壞。理(lǐ)論上，電流導緻的(de)電動力與電流瞬時(shí)值的(de)平方成正比。對(duì)于開關設備，根據GB11022:

（3）深度限流及母線殘壓保護裝置的(de)安全隐憂

對(duì)于圖4，假若圖中的(de)穩态短路電流=額定短時(shí)耐受電流，則額定峰值耐受電流=I_p=1.8I_k=2.5。若電力系統中所有電氣設備（包括連接導線）的(de)額定峰值耐受電流和(hé)額定短時(shí)耐受電流均大(dà)于I_p和(hé)I_ke，則系統在抗短路電流能力方面是安全的(de)。

圖4

圖5

 

圖5表示深度限流或母線殘壓保護裝置面對(duì)短路電流時(shí)的(de)波形示意圖，由于前30ms沒有限流功能，電力系統完全暴露在過大(dà)峰值電流的(de)沖擊之下(xià)，即系統的(de)實際峰值電流明(míng)顯超過了(le)系統的(de)額定峰值耐受電流，使系統面臨損壞的(de)風險。對(duì)于業主的(de)具體電力系統而言，造紙廠的(de)開關設備的(de)額定峰值耐受電流=31.5×2.5≈80kA，而在發生短路的(de)前30ms系統的(de)實際峰值電流可(kě)能達到46×2.5≈115kA=1.4375×80kA，而開關面臨的(de)電動力将是其極限承受能力的(de)1.4375²=2.1倍。當然除開關設備之外，還(hái)可(kě)能存在抗短路能力更加薄弱的(de)環節（比如發電機、變壓器等帶繞組的(de)電氣設備）。這(zhè)還(hái)不是全部，假若高(gāo)速開關出現拒動或其電子控制裝置失效，則用(yòng)戶電力系統将面臨災難性的(de)後果。這(zhè)就是安全隐憂所在。

 

2.2.2 關于限流電抗器+基于爆破切割技術的(de)限流器

由于限流電抗器的(de)有功和(hé)無功損耗相當巨大(dà)，采用(yòng)基于爆破切割技術的(de)限流器FCL将其旁路後可(kě)以達到節能降耗、提高(gāo)電能質量、提高(gāo)系統安全性的(de)效果，接線原理(lǐ)如圖6。由于FCL的(de)開斷特性類似于高(gāo)壓限流熔斷器,即全開斷過程小于10ms且具有明(míng)顯的(de)限流特性，故障電流從FCL轉移到電抗器L過程的(de)波形如圖7所示，所以隻要合理(lǐ)選擇電抗器的(de)參數就可(kě)以保證系統實際峰值電流的(de)最大(dà)值小于其額定峰值耐受電流，确保系統安全。不過此時(shí)FCL的(de)可(kě)靠性顯得(de)尤爲重要，若FCL誤動或拒動同樣會給用(yòng)戶帶來(lái)困擾甚至風險，所以建議(yì)用(yòng)戶使用(yòng)理(lǐ)論上和(hé)實踐上都安全可(kě)靠的(de)限流器産品。

圖6

圖7  短路電流預期波形及限流波形對(duì)比示意圖

2.3  關于限流裝置安裝位置及限流電抗器的(de)選擇

2.3.1 安裝位置及方式的(de)建議(yì)

根據用(yòng)戶系統圖1及相關短路電流數據分(fēn)析，我們建議(yì)用(yòng)戶考慮将限流裝置安裝與圖1的(de)C點，具體示意圖如下(xià)：

 

 

（a）

（b）

圖8  限流裝置安裝位置示意圖

限流裝置可(kě)通(tōng)過電纜引緻戶外安裝布置，再通(tōng)過電纜引回戶内後連接造紙産負荷。圖8（a）将限流裝置均引至戶外，圖8（b）僅将限流電抗器引至戶外，且FCL可(kě)以不影(yǐng)響供電随時(shí)維護。

2.3.2 限流電抗器的(de)選擇

造紙廠負荷約20MVA，電流大(dà)約1150A，若将造紙廠側短路電流限制到25kA，則短路阻抗Z₂=10kV÷1.732÷25kA=0.23Ω,系統原短路阻抗Z₁=10kV÷1.732÷46kA=0.1255Ω，則限流電抗器阻抗Z=Z₂-Z₁=0.1045Ω。所以限流電抗器可(kě)以選擇10kV-2000A-5%即可(kě)滿足要求。電抗器上的(de)電壓降在電流2000A時(shí)爲289V，對(duì)負載側電壓的(de)影(yǐng)響更小。

 

3  關于二廠限流電抗器節能措施

基于2.2.1同樣的(de)分(fēn)析，采用(yòng)高(gāo)速真空斷路器旁路存在峰值電流顯著超标問題，同時(shí)存在高(gāo)速開關拒動或控制裝置失靈等可(kě)能帶來(lái)的(de)災難性事件，給系統平添安全隐憂，是不可(kě)取的(de)。建議(yì)用(yòng)戶選擇安全可(kě)靠的(de)限流器産品用(yòng)于旁路限流電抗器。

 

4 本公司 DDX1的(de)獨特優點

（1）全系列産品配置：每相産品隻需配置單隔離器、單熔斷器。

（2）電流傳感器：采用(yòng)具有線性不飽和(hé)特性的(de)内置式羅氏線圈，有效優化(huà)了(le)産品結構。

（3）快(kuài)速隔離器：全密封多(duō)斷口平闆式結構，單隔離器額定電流最大(dà)可(kě)達6300安。

（4）電子控制器：基于雙判據的(de)故障電流快(kuài)速識别技術,簡捷易行,準确可(kě)靠。

（5）分(fēn)相控制，從原理(lǐ)上保證可(kě)靠性，同時(shí)爲用(yòng)戶節省運行維護及備品備件成本。

（6）已廣泛應用(yòng)于國家電網公司及各類工業用(yòng)戶，取得(de)了(le)良好的(de)應用(yòng)效果。

 

5         總結

（1）一廠限流裝置安裝點建議(yì)優先考慮圖1的(de)中C點；

（2）在備選的(de)三種裝置中，“深度限流裝置”或“母線殘壓保護裝置”給系統帶來(lái)安全隐憂，表現在使系統短路電流峰值顯著超過系統額定峰值耐受電流，同時(shí)若高(gāo)速開關拒動或其控制裝置失靈将給用(yòng)戶系統帶來(lái)災難性後果。

（3）建議(yì)用(yòng)戶采取限流電抗器+基于爆破切割技術限流器方案，這(zhè)代表了(le)國際上目前的(de)技術水(shuǐ)平。值得(de)說明(míng)的(de)是，若限流器誤動或拒動也(yě)将給用(yòng)戶帶來(lái)困擾甚至産生安全後果，所以建議(yì)用(yòng)戶選擇原理(lǐ)上可(kě)靠和(hé)實踐中驗證有安全保障的(de)産品。