电力系统中限流电抗器的应用研究论文.doc

编号 学号 编号 学号 12244001 毕毕 业业 论论 文文 2012 届本科 届本科 题题 目 目 电力系统中限流电抗器的应用研究电力系统中限流电抗器的应用研究 学学 院 院 信息与电气工程学院信息与电气工程学院 专专 业 业 农业电气化与自动化农业电气化与自动化 姓姓 名 名 于晟旻于晟旻 指导教师 指导教师 吴秀华吴秀华 完成日期 完成日期 2012 年年 05 月月 30 日日 目目 录录 摘 要 1 ABSTRACT 2 1 电抗器概述 3 1 1 电抗器的原理 3 1 2 电抗器的结构 3 1 3 电抗器的分类 4 1 4 电抗器的作用 4 1 5 电抗器产品名称及功能 5 1 6 电抗器的接线方法 5 2 限流电抗器在电力系统中的作用分析 6 2 1 限流电抗器在 35kv 以下线路的作用 6 2 1 1 串接限流电抗器在 35kV 侧的作用 6 2 1 2 串接限流电抗器在 0 4kV 侧的作用 7 2 1 3 融冰电抗器 8 2 2 220 kV 变电站 10 kV 侧限流电抗器对系统的影响 10 2 2 1 对 10kV 出线保护的影响 10 2 2 2 对 220KV 主变压器后备保护的影响 11 2 2 3 相关结论 11 2 3 500 kV 限流电抗器对瞬态电压影响及过电压耐受分析 11 2 3 1 系统状况 12 2 3 2 瞬态恢复电压计算 12 2 3 3 本期瞬态恢复电压计算 12 2 3 4 限值措施 13 2 3 5 结论 14 3 限流电抗器在电力系统中的应用实例分析 15 3 1 短路电流限流开断器 15 3 1 1 短路电流限流开断器的结构 15 3 1 2 FCLI 装置工作原理 16 3 1 3 FCLI 装置特点 16 3 1 4 应用实践 16 3 1 5 结论 17 3 2 大容量高速开关与限流电抗器并联运行应用 17 3 2 1 实例问题 17 3 2 2 FSR 装置 18 3 2 3 FSR 的参数选择 19 3 2 4 应用效果 21 4 结论与分析 22 4 1 限流电抗器的原理作用分析总结 22 4 2 限流电抗器的应用实例综合分析 23 4 2 1 短路电流限流开断器 简称限流器或 FCLI 23 4 2 2 大容量高速开关与限流电抗器并联运行应用 FSR 装置 23 5 限流电抗器行情的回顾与展望 24 5 1 我国限流电抗器行情回顾 24 5 2 电抗器未来发展前景 24 参考文献 26 致 谢 28 电力系统中限流电抗器的应用研究 0 摘摘 要要 本文在宏观方面研究限流电抗器在电力系统的作用原理和应用 电力系统接入限流电抗器 可有 效解决电力系统短路电流过大的问题 但同时也会影响断路器暂态恢复电压 输电线路工频过电压 以及操作过电压的大小 限流电抗器的引入 使得由空载输电长线路的电容效应 不对称短路以及 甩负荷引起的工频过电压增大至 1 29 pu 略低于行业标准限值 1 3 pu 建议在安装限流电抗器之前 对线路工频过电压进行校核 以保证运行安全 采用电抗器限制500 kV 线路的短路电流是一种可行的方法 但在限制短路电流的同时 电抗器 的引入会引起断路器瞬态恢复电压的变化 分析不同短路情况下电抗器对瞬态恢复电压的影响 分 析表明 三相短路时对瞬态恢复电压的影响要比单相短路时严重 采用并联电容器的方法可以降低 瞬态恢复电压的影响 但要求的电容器容量较大 关键词 关键词 限流电抗器 瞬态电压 并联电容器 工频过电压 沈阳农业大学学士学位论文 1 Abstract In this thesis limiting reactor at the macro in the role and application of the power system Current Limiting Inductor CLI is used to limit the magnitude of fault current in power systems Meanwhile the introducing of CLI will change the transient recovery voltage TRV of circuit breaker power frequency overvoltage and switching overvoltage of transmission line Simulation results show that configuring CLI will make power frequency overvoltage caused by capacitance effects of long distance transmission line asymmetry grounding faults and load rejection of line rising up to 1 29 pu namely slightly lower than the limit 1 3 pu specified in industrial standard It is recommended that check of line overvoltage should be done before CLI is installed in transmission line Air cored current limiting inductor CLI is used to limit the magnitude of fault current in 500 kV power system While limiting short circuit current effects of CLI on transient recovery voltage TRV are researched in this paper Combining with the project of East China power system the effects of CLI on TRV is analyzed in detail The results show that the effect of three phase short circuit is serious than that of single phase short circuit and parallel capacitor can reduce the TRV but the capacitance is too large Keywords Current limiting inductor Transient recovery voltage Paralleled capacitor Power frequency overvoltage 电力系统中限流电抗器的应用研究 2 1 1 电抗器概述电抗器概述 1 11 1 电抗器的原理电抗器的原理 电抗器也叫电感器 一个导体通电时就会在其所占据的一定空间范围产生磁场 所以所有能载流的电导体都有一般意义上的感性 然而通电长直导体的电感较小 所 产生的磁场不强 因此实际的电抗器是导线绕成螺线管形式 称空心电抗器 有时为 了让这只螺线管具有更大的电感 便在螺线管中插入铁心 称铁心电抗器 电抗分为 感抗和容抗 比较科学的归类是感抗器 电感器 和容抗器 电容器 统称为电抗器 然而由于过去先有了电感器 并且被称为电抗器 所以现在人们所说的电容器就是容 抗器 而电抗器专指电感器 电抗器是电力系统中用于限制短路电流 无功补偿和移相等的电感性高压电器 由金属导线绕制而成具有电抗 用以减小短路电流的电气设备 按其绕组内有无主铁 心分为铁心式电抗器和空心式电抗器 最通俗的讲 能在电路中起到阻抗的作用的东 西 我们叫它电抗器 电力网中所采用的电抗器 实质上是一个无导磁材料的空心线 圈 它可以根据需要布置为垂直 水平和品字形三种装配形式 在电力系统发生短路 时 会产生数值很大的短路电流 如果不加以限制 要保持电气设备的动态稳定和热 稳定是非常困难的 因此 为了满足某些断路器遮断容量的要求 常在出线断路器处 串联电抗器 增大短路阻抗 限制短路电流 在应用了电抗器以后 发生短路时 电抗器上的电压降落较大 所以也起到了维 持母线电压水平的作用 使母线上的电压波动较小 保证了非故障线路上的用户电气 设备运行的稳定性 1 21 2 电抗器的结构电抗器的结构 1 该进线电抗器为三相 均为铁芯干式 2 铁芯采用优质低损耗进口冷轧硅钢片 气隙采用环氧层压玻璃布板作间隔 以保证 电抗器气隙在运行过程中不发生变化 3 线圈采用 H 级漆包扁铜线绕制 排 列紧密且均匀 外表不包绝缘层 且有极佳 的美感且有较好的散热性能 4 进线电抗器的线圈和铁芯组装成一体后经 沈阳农业大学学士学位论文 3 图图 1 电气设备电抗器电气设备电抗器 过预烘 真空浸漆 热烘固化这一工艺流程 采用 H 级浸渍漆 使电抗器的线圈和铁 芯牢固地结合在一起 不但大大减小了运行时的噪音 而且具有极高的耐热等级 可 确保电抗器在高温下亦能安全地无噪音地运行 5 进线电抗器芯柱部分紧固件采用无磁性材料 减少运行时的涡流发热现象 6 外露部件均采取了防腐蚀处理 引出端子采用镀锡铜管端子 1 31 3 电抗器的分类电抗器的分类 按结构及冷却介质 按接法 按功能 按用途进行分类 1 按结构及冷却介质 分为空心式 铁心式 干式 油浸式等 例如干式空心电 抗器 干式铁心 电抗器 油浸铁心电抗器 油浸空心电抗器 夹持式干式空心电抗器 绕包式干式空心电抗器 水泥电抗器等 2 按接法 分为并联电抗器和串联电抗器 3 按功能 分为限流和补偿 4 按用途 按具体用途细分 例如限流电抗器 滤波电抗器 平波电抗器 功率 因数补偿电抗器 串联电抗器 平衡电抗器 接地电抗器 消弧线圈 进线电抗器 出线电抗器 饱和电抗器 自饱和电抗器 可变电抗器 可调电抗器 可控电抗器 轭流电抗器 串联谐振电抗器 并联谐振电抗器等 电抗器作为无功补偿手段 在电力系统中是不可缺少的 1 41 4 电抗器的作用电抗器的作用 电力系统中所采取的电抗器常见的有串联电抗器和并联电抗器 串联电抗器通常起 限流作用也有在滤波器中与电容器串联或并联用来限制电网中的高次谐波 并联电抗 器经常用于无功补偿 超高压并联电抗器有改善电力系统无功功率有关运行状况的多 种功能 主要包括 1 轻空载或轻负荷线路上的电容效应 以降低工频暂态过电压 2 改善长输电线路上的电压分布 3 使轻负荷时线路中的无功功率尽可能就地平衡 防止无功功率不合理流动 同 时也减轻了线路上的功率损失 4 在大机组与系统并列时 降低高压母线上工频稳态电压 便于发电机同期并列 5 防止发电机带长线路可能出现的自励磁谐振现象 6 当采用电抗器中性点经小电抗接地装置时 还可用小电抗器补偿线路相间及相 电力系统中限流电抗器的应用研究 4 地电容 以加速潜供电流自动熄灭 便于采用 1 51 5 电抗器产品名称及功能电抗器产品名称及功能 1 进线电抗器 亦称换相电抗器 用于电网进线中 通过的是交流电流 进线电 抗器的作用是限制变流器换相时电网侧的压降和晶闸管的电流上升率 di dt 和电压上升 率 du dt 以及并联变流器组的解耦 2 并联电抗器 里面通过的交流 并联电抗器的作用是补偿系统的容抗 通常与 晶闸管串联 可连续调节电抗电流 3 串联电抗器 里面通过的是交流 串联电抗器的作用是与补偿电容器串联 对 稳态性谐波 5 7 11 13 次 构成串联谐振 通常有 5 6 电抗器 属于高感值电 抗器 4 调谐电抗器 里面通过的是交流电 串联电抗器的作用是与电容器串联 对规 定的 n 次谐波分量构成串联谐振 从而吸收该谐波分量 通常 n 5 7 11 13 19 1 61 6 电抗器的接线方法电抗器的接线方法 ABC XYZ 六个端子 你可以将 ABC 作为电 抗器进线端 XYZ 作为电抗器出线端 也可以将 XYZ 作为电抗器进线端 ABC 作为电抗器出线 端 这没有什么具体的进线 出线的顺序要求 你怎么接都行 对变频器不会有影响 只是注意 一点 ABC XYZ 这两套端子 接线时不能互 相交叉 图中上三个端子为 ABC 下三个端子为 XYZ 图图 2 电抗器电抗器 沈阳农业大学学士学位论文 5 2 2 限流电抗器在电力系统中的作用分析限流电抗器在电力系统中的作用分析 2 12 1 限流电抗器在限流电抗器在 35kv35kv 以下线路的作用以下线路的作用 35 0 4 kV 系统由于其占建筑面积少 而受到城市中心地区用电大户的欢迎 但 该系统对供配电网络而言 一般不提倡使用 尤其是当地区 35 kV 开关仓离用户站距 离较近的情况下 其线路长度小于瞬时电流速断装置能选择性动作的最小允许长度就 有可能因为用户站 35kV 末端发生故障 越级引起上级保护装置动作 从而扩大停电范 围 同时由于 35 0 4kV 系统的低压侧短路电流比 35 10 0 4kV 系统的要大 对 变电所低压配电屏的断路器短路分断能力的要求也相应提高 笔者 1997 年在上海城区 中心某商业建筑中 在 35 0 4kV 系统的高压侧串接限流电抗器 起到了较好的作用 该工程 35 0 4kV 系统主接线如下图所示 该系统中 系统短路容量 S 1 500 NV A 电抗器 U 35kV lr 0 1kA X 5 变压器 35 0 4kV S 2 500kV A U 6 高压电缆 XLl XL2 XL3 0 003 Q 低压母线 XL4 0 03mQ 2 1 12 1 1 串接限流电抗器在串接限流电抗器在 35kV35kV 侧的作用侧的作用 1 35kV进户端A点三相短路电流 周 期分量有效值 kA X XUI SUX S SjA sjs 4 23 3 37 3 913 0 1500 37 1 3 2 2 1 2 35kV进户末端B点三相短路电流当 35kV侧未设置串接限流电抗器时 电力系统中限流电抗器的应用研究 6 kA XUI XXX XX SjB LS LL 32 23 916 0 3 37 3 916 0 003 0913 0 0 1 3 31 21 当35kV侧设置串接限流电抗器时 图图3 3 某工程某工程35 0 4kV35 0 4kV系统主接线图系统主接线图 kA XUI XXXXXX IUXX jB kLLLS rrkk 94 1 026 113 37 3 026 11 104 103003 0 913 0 104 10 1 03100 355 3100 21 3 3212 3 小结 对35 0 4kV用户站而言 电抗器前仅有进线总开关及电能计量元件 而电抗器 后有高压避雷器 馈线开关 变压器等 理想的保护应是用户进线总开关后的短路故 障保护仅动作于用户进线总开关 而不动作于上一级 在35kV高压侧串接限流电抗器 后 由于其明显的限流特性 得限流电抗器后的短路电流值显著降低 这样 就有条 件通过继电保护的灵敏度及整定值的设定 确保在限流电抗器后的短路故障保护仅动 作于用户进线总开关 结论 限流电抗器在35 0 4kV系统中有利于高压侧的继电分级保护 有利于用 户站35kV电气设备的安全运行 2 1 22 1 2 串接限流电抗器在串接限流电抗器在 0 0 4kV4kV 侧的作用侧的作用 1 当35 kV侧未设置串接限流电抗器时 0 4kV低压母排C点三相短路电流 沈阳农业大学学士学位论文 7 kA XUI m XXUUXX m SUUX jC Lljj lrlll 07 58 977 33 400 3 977 3 03 0 84 3 37 4 0 916 84 3 2500100 4006 100 32 3 2 4 2 1213 2 2 式中 变压器阻抗电压百分值 l U 变压器额定电压 线电压 kV rl U 变压器额定容量 kV A l S 变压器电抗 Q l X 0 4kV侧C点短路电流 kA 3 C I 2 当35kV侧设置串接限流电抗器时 0 4kV低压母排C点三相短路电流 kA XUI m XXUUXX jC Lljj 76 44 159 5 3 400 3 159 5 03 0 84 3 37 4 0 11026 42 3 2 4 2 1224 3 小结 通过对35 0 4kV系统低压侧c点的短路电流的计算 当35kV侧未设置限流电抗 器时 c点的短路电流值为58 07kA 因此变电所低压侧一级断路器应选择分断能力为 65kA的短路保护电器 由于低压侧断路器数量很多 并有断路器第一级与第二级间的 分断能力配合问题 所以当35kV侧未设置限流电抗器时 低压侧选用高分断断路器会 增加投资 当35kV侧设置限流电抗器时 c点的短路电流值为44 76kA 因此变电所 低压侧第一级断路器可选择分断能力为50kA的短路保护电器 低压侧可选用较低 级 分断能力的断路器 虽增加了限流电抗器投资 但可降低数量众多的低压侧短路保护 电力系统中限流电抗器的应用研究 8 电器的费用 结论 限流电抗器在35 0 4kV系统中有利于降低低压侧的短路电流 降低低压保护电器的工程投资 具有经济性 2 1 32 1 3 融冰电抗器融冰电抗器 1 用10kV电压融冰 以农网最常用的LGJ一50导线为计算对象 直接融冰时最小 长度至少约30km 但主干线路大都在20km以内 若对长度为4km的线路融冰 需要串 联20 的电抗器 经计算 电抗器的串联值见表1 从表的计算结果可以得出 只需与厂家定制 建议与240导线的融冰电流为限 可 设定额定电流现目前使用的限流电抗器大都与电容器并联使用 其额定电流较小 额 定电抗值也较小且单一 无法满足融冰的需要 表表1 串联移动限流电抗器各档位对应融冰长度参考表串联移动限流电抗器各档位对应融冰长度参考表 20 0 15 0 10 0 7 5 5 0 2 5 0 0 序号线径最大最大 长度长度 最小最小 长度长度 最大最大 长度长度 最小最小 长度长度 最大最大 长度长度 最小最小 长度长度 最大最大 长度长度 最小最小 长度长度 最大最大 长度长度 最小最小 长度长度 最大最大 长度长度 最小最小 长度长度 最大最大 长度长度 最小最小 长度长度 1 LGJ 50 817 23 924 311 031 418 1 2 LGJ 70 109 60 018 65 327 614 332 018 7 3 LGJ 95 2010 50 021 38 826 714 232 119 637 525 042 930 4 4 LGJ 120 205 80 017 55 723 411 529 217 435 123 240 929 1 5 LGJ 150 2511 81 118 27 524 513 930 920 237 226 6 6 LGJ 185 306 30 012 13 817 99 523 715 329 521 1 7 LGJ 240 407 10 113 06 118 912 024 917 9 2 方法 电容 抗 器单元的改造为融冰专用间隔现11OkV及以上变电站电容器单元均配置有 电抗器 对于中北部凝冻灾害比较严重的地区 可对电容器单元进行改造 利用现有 场地将电抗器更换为融冰型电抗器 这样可实现融冰设备的常态化管理 从而提高融 冰速度和效果 真正做到以防为主 由于融冰电流可承受的幅度较大 若融冰电抗器 长置于电容器单元 可根据设计的结果 取消最临近设计值的一档改为设计额定电抗 值 也可以增加一档为设计值 以满足日常运行及融冰的双重需要 还需对10kV的电 容器单元的出线电缆进行改造 以本站10kV的最大导线型号融冰电流匹配 选用相应 的电缆型号 改造费用估算约为40万元 间隔 3 优点 限流电抗器在融冰工作中可替代融冰用变压器 优点如下 1 体积小 重量轻 造价低 安装较方便 以额定电抗值20Q 额定电流550A的限 沈阳农业大学学士学位论文 9 流电抗器为例 造价不超过20万元 其重量约为4t 而且可分体安装 单支重量只有1t 多 只需普通车辆即可 在冰灾中受道路运输的限制较小 易于运输及安装 能较大 范围实现移动融冰 2 由于电抗器本身的特性 其故障的机率比变压器低 利于长期放置及日常运行 维护 3 融冰范围基本能覆盖现有10kV线路 可调整和融冰的范围大 4 可根据各条35kV及以下的线路长度 确定串联的电抗值 便于制定融冰一线一 策 加快融冰效率和进度 2 22 2 220220 kVkV 变电站变电站 1010 kVkV 侧限流电抗器对系统的影响侧限流电抗器对系统的影响 220kV变电站1OkV侧带负荷运行时 存在系统短路容量大 开关遮断容量不能满 足要求 10 kV故障几率增加 主变后备保护灵敏度不足 串联限流电抗器与无功补偿 电容器形成串联谐振等问题 一直限制着这种运行模式的发展 目前 为了降低系统 短路容量 减少故障几率 220kV变电站10kV侧采用加装限流电抗器 仅带无功补偿 设备运行的模式 由于曾经出现过10 kV电容器故障 主变压器后备保护灵敏度不足 导致事故扩大的情况 使得220kV变电站选用10kV侧带负荷运行慎之又慎 在一定程 度上限制了一次系统的发展 采用这种供电模式 若能解决220kV变电站10 kV侧带负 荷运行时的保护配置难题 满足继电保护选择性 速动性 灵敏性 可靠性的要求 保障系统和设备的安全稳定运行 则能大大提高电网运行的经济效益和社会效益 下面就主变压器10 kV侧加装限流电抗器后对系统的影响作简单分析 2 2 12 2 1 对对 10kV10kV 出线保护的影响出线保护的影响 1 主变压器参数计算 以220kV变电站主变压器容量为2 180MV A为例 参数如下 额定电压 230 8 1 25 121 10 5 kV 额定容量 18000o 180000 90000 kV A 联结组标号Yn yno dl1 额定电流 452A 859A 4948 7 A 短路阻抗 230kV及121 kV线圈间14 230kV及l0 5kV线圈间23 121 kV及10 5kV线圈间7 短路阻抗约计算 电力系统中限流电抗器的应用研究 10 Xt1 14 23 7 23 180 0 083 Xt2 14 7 23 23 180 0 0056 Xt3 23 7 14 23 180 0 044 2 干式限流电抗器参数计算 满足10 5 kV开关开断电流 25 kA要求 电抗器标幺阻抗值Xk 0 15 若以10kV带负荷配置 型号为XKSCKL一10 5000 14 即 N 5kA UN 10kV Xr 14 计算得 Xk Xr 100 IB IN UN UB 14 10o 5500 5ooo 10 10 5 0 15 若以l0kV仅带电容器 站用变负荷配置 型号为XKSCKL一10 2000 6 即 2kA 10kV Xr 6 计算得 N I N U 100 K X r X B I N I BN UU 6 100 5500 2000 10 10 5 0 15 2 2 22 2 2 对对 220KV220KV 主变压器后备保护的影响主变压器后备保护的影响 容量为180MV A的主变压器 把10kV短路电流限制在25kA以下时 10kV侧加装 限流电抗器后 即使主变压器110kV侧分裂运行 主变压器高压侧后备保护的灵敏度仍 不能满足要求 由此看来 220kV主变压器10kV侧带负荷的变电站 10kV母线故障仅 能靠主变压器10kV侧开关切除故障 主变压器高 中压侧后备保护满足不了 继电保 护整定计算规程 中要求对主变压器低压母线故障有灵敏度的要求 2 2 32 2 3 相关结论相关结论 加装电抗器后主要造成主变压器高 中压侧后备保护灵敏度不足 不能满足 继 电保护整定计算规程 中要求主变压器后备保护对主变压器其它侧母线故障有灵敏度 的要求 且采用这种运行方式的变电站10kV母线故障时仅能由主变压器10kV侧后备保 护切除 动作时间长 短路电流大 易造成设备损坏 且无后备保护动作 造成事故 扩大 若参数选择不当 可能造成串联谐振 沈阳农业大学学士学位论文 11 2 32 3 500500 kVkV 限流电抗器对瞬态电压影响及过电压耐受分析限流电抗器对瞬态电压影响及过电压耐受分析 随着电网的逐渐扩大 国内有一些电网出现短路电流水平上升 有些500 kV变电 站短路电流已接近或超过断路器的开断容量 迫切需要限制电网的短路电流水平 限 制断路电流 除了解决断路器的容量要求以外 直接减轻了断路器的开断负担 有助 于减少维修并延长寿命 并能限制流过重要电气设备的短路电流 避免设备损坏 还 能减少线路电压损耗和发电机失步的概率 同时也能减少故障时线路附近的电磁污染 降低对弱电系统的影响 限制断路电流的措施有 发展高一级电压等级电网 低压电 网分片或将母线分列或分段运行 甚至将电网解列 采用高阻抗变压器 更换断路器 选用开断容量更大的产品 采用串联电抗器 上述方法各有特点 然而或多或少均会 带来一些问题 如降低电力系统的安全性和可靠性 以及较高的成本并增加电力损耗 等 相比之下 无论从技术还是经济上比较 串联电抗器是一种比较可行的方法 国 际上 已有巴西 加拿大等国应用了这项技术 取得了良好的效果 国内的一些工业 应用领域 在配网中应用了这项技术 但在超高压电网中还没有应用先例 最近 华 东电网已决定采用电抗器限制短路电流 对电抗器进行了招标 串联电抗器有不可控和可控两种 不可控电抗器属于传统的电抗器 具有运行方 式简单 安全可靠的优点 当然会增加无功和有功损耗 有时会降低系统的稳定性 并需对继电保护方案作出修改 可控电抗器是采用电力电子技术 实现系统正常运行 时对电网的影响很小 而在系统发生短路时又能快速限制短路电流 按工作原理不同 分为串联谐振型和并联谐振型 串联电抗器应用于500 kV输电系统 可有效地降低系统短路时的电流 减轻对断 路器的开断能力要求 但是 也会带来另一个问题 就是线路上串入电抗器以后 在 断路器开断短路电流时 会引起瞬态恢复电压的增加 从而会引起断路器重燃的事故 本文采用PSCAD EMTDC程序 结合我国第一个采用电抗器限制短路电流的工程 华东电网500 kV泗泾一黄渡线路 计算分析了电抗器引入前后对断路器瞬态恢复电压 的影响 并提出改进措施 降低瞬态恢复电压 2 3 12 3 1 系统状况系统状况 本工程在500 kV泗泾一黄渡的双回线路的泗泾站一侧各安装1组500 kV 串联电抗 器 由于安装串联电抗器之后 瞬态恢复电压水平会发生变化 以下根据华东电网提 供的系统等值 分别在本期 2010年 和远景 2020年 两个水平年下 对两端已有断路器 的瞬态恢复电压水平进行计算 本期 2010年 和远景 2020年 两个水平年的等值电网参 考图1 电力系统中限流电抗器的应用研究 12 2 3 22 3 2 瞬态恢复电压计算瞬态恢复电压计算 根据GB 1984 2003中对瞬态恢复电压的定义 瞬态恢复电压 TRV 是指断路器电弧 熄灭后 在断路器触头上出现的具有显著瞬变特性的恢复电压 通常由工频分量和瞬 态分量叠加而成 三相系统中的瞬态恢复电压系指首开断相而言 2 3 32 3 3 本期瞬态恢复电压计算本期瞬态恢复电压计算 单相短路 短路发生位置在靠近黄渡变电站一侧 这种情况下黄渡侧和泗泾侧断路器的恢复 电压波形分别如图4所示 图中的直线是按 照标准中对出线端短路的恢复电压给出的 限值 下同 由图4所见 当短路发生在靠近黄渡变 电站侧 黄渡侧断路器的瞬态恢复电压第1 波峰超过了限值 而泗泾侧断路器瞬态恢 复电压第1振荡的陡度超过了限值 三相短路 短路发生位置在靠近黄渡变电站一侧 这种情况下黄渡侧和泗泾侧断路器的恢复 电压波形分别如图5所示 由图5所见 当 短路发生在靠近黄渡变电站侧 黄渡与泗 泾侧断路器的瞬态恢复电压第1振荡幅值和陡度大大超过了限值 甚至第2振荡的幅值 还超过限值 沈阳农业大学学士学位论文 13 图图4 4 本期本期 2010 2010年年 黄渡变电站侧单相黄渡变电站侧单相 图图5 5本期本期 2010 2010年年 黄渡变电站侧黄渡变电站侧 短路瞬态恢复电压波形短路瞬态恢复电压波形 三相短路瞬态恢复电压波形三相短路瞬态恢复电压波形 2 3 42 3 4 限值措施限值措施 从上述计算的结果可以看出 单相短路和三相短路时的顺态恢复电压的波形都超 过标准给出的包络线 图中直线 的范围 其中三相短路的瞬态恢复电压较高 而且主要 是黄渡变电站一侧的断路器上瞬态恢复电压较大 针对这种情况 在进行限制时应主要考虑单相短路情况下的瞬态恢复电压 限制 方法主要考虑在黄渡和泗泾变电站增加并联电容器的方法 采用在泗泾侧安装60 nF的 并联电容的方式限制暂态恢复电压 计算工况选择了3种不同的短路位置 发生单相对 地短路情况 另外 为了对比限制效果 考虑了两种电容器组的具体安装方式 并联 在电抗器的两端和作为对地电容安装在电抗器一端 计算对比了在线路 黄渡一泗泾 不 同位置处发生单相短路故障时 泗泾变电站装设不同设备的情况下 泗泾和黄渡变电 站断路器上的瞬态恢复电压 从中可以得出以下一些结论 1 在泗泾侧变电站加装0 06 FF的电容器对泗泾侧的瞬态恢复电压有一定的限制 效果 和未安装串联电抗器的情况对比 计算结果显示在本工程中将电容器对地装设比 将电容器并联在电抗器上会得到更好的限制效果 更有利于限制恢复电压的幅值 电力系统中限流电抗器的应用研究 14 2 在泗泾侧变电站加装0 06 FF的电容器对黄渡侧的瞬态恢复电压影响很小 3 采用对地安装并联电容器组的方法 可以将瞬态恢复电压降低 如要将瞬态恢 复电压降低到限值以下 需要的电容容量很大 从0 8 FF到2 5 FF 在实际工程中 实现的困难很大 2 3 52 3 5 结论结论 通过计算 比较分析安装和不安装串联电抗器情况下的瞬态恢复电压的计算结果 可以得出下面一些结论 1 在黄渡一泗泾线路的泗泾变电站一侧安装串联电抗器会对线路两端的断路器瞬 态恢复电压产生影响 这种影响主要表现在断路器开断短路电流时的瞬态恢复电压幅 值 陡度的变化 2 在单相短路情况下 加入串联电抗器会使黄渡变电站侧的断路器瞬态恢复电压 有所增加 这使得安装电抗器后的黄渡侧断路器瞬态恢复电压超过了标准规定的限值 而泗泾变电站侧的断路器瞬态恢复电压在安装了串联电抗器后会有所减小 但是不管 是否安装串联电抗器 泗泾侧断路器的瞬态恢复电压都超过了标准规定的限制 3 在三相短路情况下 不论是否加入串联电抗器 两侧变电站的断路器瞬态恢复 电压都已经超过了标准规定的限值 4 在泗泾侧变电站加装0 06 FF的电容器对泗泾侧的瞬态恢复电压有一定的限制 效果 和未安装串联电抗器的情况对比 但对黄渡侧的瞬态恢复电压影响很小 计算结 果显示在本工程中将电容器对地装设比将电容器并联在电抗器上会得到更好的限制效 果 更有利于限制恢复电压的幅值 5 采用对地安装并联电容器组的方法 可以将瞬态恢复电压降低 如要将瞬态恢 复电压降低到限值以下 需要的电容容量很大 从0 8 FF到2 5 FF 在实际工程中 实现的困难很大 3 3 限流电抗器在电力系统中的应用实例分析限流电抗器在电力系统中的应用实例分析 3 13 1 短路电流限流开断器短路电流限流开断器 电力系统的短路电流水平随着电源容量的增加和电网的扩大而急剧上升 发电机或 变压器发生近区短路时短路电流可达80 10 kA 常规断路器很难满足开断电流要求 在 沈阳农业大学学士学位论文 15 电力系统中 通常采用加装限流电抗器 改变运行方式或选用高阻抗变压器等手段来限 制短路电流 其中加装限流电抗器是最常用也较为经济实用的方法 限流电抗器的主要 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 同时提高系统残压 但使用限流电抗器后 会存在很大的电能损耗 系 统有大的波动时会产生较大的压降影响其他设备正常运行 如何消除限流电抗器产生的 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 榆林市供电公司110 k V 大柳塔变电站在实际运行中采用D X K 系列短路电流限流开断器与限流电抗器并 联运行的方式 既大幅度限制了系统短路电流的幅值又避免了正常运行时电抗器对系统 产生的不良影响 收到了较好的效果 3 1 13 1 1 短路电流限流开断器的结构短路电流限流开断器的结构 为了更合理地解决上述问题 我们采用这种短路电流限流开断器 简称限流器或FCLI 能 够消除正常运行时串联电抗器对系统的影响 具体解决办法是 FCLI 装置与限流电抗器 并联 在正常运行中短接电抗器 系统故障情况下迅速断开限流器 将电抗器接人系统回 路中 达到限制故障电流的作用 系统原理接线图见图6 图图6 6 FCLIFCLI 装置原理接线图装置原理接线图 正常运行时 FCLI装置将电抗器短接 由于FCLI装置的阻抗一般小于40 而大柳塔 变电站选用的限流电抗器阻抗为0 12 所以正常运行时限流电抗器被FCLI短接而不起 作用 电流流经高速开关中 当系统出现故障时 高速开关速熔断 将限流电抗器投人到 主回路中限制短路流 而短路故障仍由故障处断路器开断 3 1 23 1 2 FCLIFCLI 装置工作原理装置工作原理 该装置主要由快速隔离器 特种高压限流熔断器 电子控制器 电流传感器 隔离变压 器等部件组成 见图6 正常运行时由于快速隔离器的阻值远远小于高压熔断器的阻值 因此母线电流基本都流过快速隔离器 当系统发生短路故障时 快速隔离器内部的电流 传感器检测到主回路中的短路电流信号 将其传递给高压侧电子控制器 由电子控制器 电力系统中限流电抗器的应用研究 16 进行信号分析和处理 若短路电流信号超过整定值 电子控制器将发出点火信号 使快 速隔离器中的执行系统点火 利用微型火工元件将断口在数百微秒内高速断开 在其开 断的过程中 故障电流转移到特种高压熔断器中 由熔断器熄灭电弧 3 1 33 1 3 FCLIFCLI 装置特点装置特点 1 高开断能力 目前国内10 kV 断路器的额定开断电流最大为63 kA 而FCLI装置 可开断高达200 kA 有效值 预期短路电流 2 高速动作 常规断路器的全开断时间约100 200 ms 而FCLI 装置采用爆破切 割法实现电流开断 具有多断口 总开断时间小于80ms之内衰减为零 与传统断路器继 电方式相比 短路故障切除速度提高20倍以上 3 灵敏度高 由于故障时电流变化斡曾加明显 该装置在故障时同时检测短路电流 的瞬时值i和电流陡度di dt 灵敏度更高 3 1 43 1 4 应用实践应用实践 2009年5月大柳塔变电站采用陕西电力科学研究院开发的DXKI型FCLI与限流电抗 器并联串人主变压器低压过桥母线运行 有效限制了系统短路电流 投运一年多来 设备 运行正常 6 kV系统运行平稳 无大的设备损坏事件发生 经过实践证明 1 在主变压器低压侧安装限流电抗器及FCLI装置整体限制了系统短路电流 不需 要更换6 kV 设备 大量节约了生产成本 2 经过改造的大柳塔变电站6 kV 母线和35 kV 母线可以长期并列运行 提高了 供电可靠性 3 FCLI 与限流电抗器并联使用消除了限流电抗器在正常运行时产生的电能损耗 节能效果显著 3 1 53 1 5 结论结论 1 短路电流限流开断器 FCLI 可应用于限制系统短路电流和电力系统灾难性短路 事故保护 随着系统容量的不断增大 FCLI的应用将会越来越普遍 2 采用限流开关与限流电抗器并联是一种经济实用的限流保护方案 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限流电抗器带来的电压 降 电能损耗等问题 提高了变电站的功率因数 电能质量 有利于系统的安全节能运行 是FCLI的典型应用方式之一 沈阳农业大学学士学位论文 17 3 为保证限流开断器可靠动作 建议用户在使用限流开断器时宜采取同时检测短 路电流瞬时值di和电流陡度di dt双判据作为开断指令 避免不必要的运行维护量 3 23 2 大容量高速开关与限流电抗器并联运行应用大容量高速开关与限流电抗器并联运行应用 3 2 13 2 1 实例问题实例问题 限流电抗器主要作用是当系统发生短路故障时 利用其电感特性 限制系统短路 电流 从而降低短路电流对系统的冲击 提高系统的残压水平 某石化公司自备热电 厂现有6 kV主母线4段 采用母联开关与限流电抗器串联连接 限流电抗器主要参数 型号 XKGKL6 2000 8 额定电压 6 kV 额定电流 2 000 A 电抗率 8 系统中加装电抗器 目的是为了降低发生短路故障的短路电流 以确保6 kV系统 发生短路时 断路器能可靠切断故障 由于电抗器串联在主回路中 所以该系统在正 常运行时存在以下问题 1 电抗器的有功功耗大 通过查阅相关资料核算 额定电压6 kV 额定电流2 000 A 电抗率8 的电抗器的有功损耗约为9 kW 其无功损耗更大 导致运行不经济 2 空心电抗器强大的漏磁场对钢筋混凝土的影响及对通讯的干扰 楼板 基础混 凝土中的钢筋在强大的漏磁场作用下 产生附加损耗 而且在长期的震动下 将使混 凝土松软 影响混凝土基础和厂房的寿命 强大的漏磁场将使通讯系统及计算机监控 系统受到严重干扰 甚至无法正常工作 3 正常运行时 电抗器上的压降使得母线上电压降低 尤其在重负荷启停时 将 使电压波动加剧 带来晃电问题 降低了供电质量 4 因限流电抗器的影响 4段母线电压不一致 使发电机调压困难 影响系统稳 定 电力系统中限流电抗器的应用研究 18 3 2 23 2 2 FSRFSR 装置装置 针对上述情况 采用在母联电抗器两端加装国产的大容量高速开关装置 以下简称 FSR 加以解决 FSR一次系统如图2所示 图图 7 7 FSRFSR 一次系统示意图一次系统示意图 1 FSR 装置原理 FS为载流桥体 FS与FU的阻抗比为1 2000 正常时流过工作电流 一旦短路故 障发生 接到测控单元的分断命令后 FS在0 15 ms之内爆破断开 FU为高压限流熔断 器 FS分断后全部短路电流被迫流人FU中 经0 5 ms FU熔断 FR为氧化锌非线性组 件 在FU熔断时的弧压作用下由截止变为导通 吸收能量 减轻FU中的电弧压力 并 把开断过程中的过电压限制在设备允许的2 5倍的相电压以内 如图4所示 熔断器Fu 在t 时间内熔断截流 并产生弧压将电流迫人非线性电阻FR中快速衰减 此时短路电 流只上升 仅为预期短路电流峰值的1 5至1 10 微机测控装置检测电流和电流变化率 采用先进的运算电路和算法程序 使测控 单元能够在0 15 ms之内完成算法程序和判断 该装置采用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 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 向FS发出分断信号 2 FSR 与限流电抗器并联的特点 正常运行时母联电抗器被FSR短接 电流基本上全部从FSR中流过 从根本上避免 了正常运行时电抗器带来的电压波动 电能损耗和漏磁场 各段母线电压不一致等问 题 额定电流2000 A 电抗率8 的电抗器的有功损耗约为9 kW 在年运行时间8 000 h的情况下 如电费按0 4 U kWh计算 每台电抗器有功损耗的电能损失每年将达 到8 000 9 3 0 4 8 64万元 仅避免电能损耗一项 每台电抗器每年就可取得直 接经济效益8万余元 6 kV系统短路时 FSR快速分断 将母联电抗器串入主回路中 由故障处的断路器 开断短路电流 由于FSR的限流性 设备不再遭受短路电流的冲击 延长了发电机 主 沈阳农业大学学士学位论文 19 变等设备的使用寿命 大大提高了系统设备在动稳定与热稳定方面的安全裕度 FSR的 快速性 使故障切除的时间大大缩短 小于3 ms 更能有效地保护设备 大量的研究结 果表明 只有在20 ms内切除故障 才能避免主变 发电机等设备的损坏 FSR限制了 开断过电压 使开断过程中产生的过电压限制在设备允许的范围内 由于FSR动作快 在短路电流上升的起始阶段就被截流 可使最大短路冲击电流及 与系统热稳定有关的 大大降低 使系统的动 热稳定裕度大大提高 tI 2 3 2 33 2 3 FSRFSR 的参数选择的参数选择 1 额定参数 额定电流 因电抗器的额定电流为2000 A 因此FSR1 FSR3的额定电流取 Ie 2 000 A 动作电流 系统大方式下正序阻抗 在母联电抗器处安装了FSR后 若在d1或 d2 d3 d4 处 发生大方式下三相短路故障时 可求得 表表2 2 FSR1FSR1 3 3的启动电流与时间的启动电流与时间 流过FSR1的短路电流 10 9 kA Id1 39 6 kA 流过FSR2的短路电流 10 9 kA Id2 49 7 kA 流过FSR3的短路电流 14 6 kA Id3 50 3 kA 取90 的可靠系数 因此 取FSR1 3的动作电流值为 Idz 10 kA 启动电流 在确定大容量高速开关装置启动电流的时候 须符合以下原则 短路电流流过FSR时 以1 1倍线路实际最大运行电流为起点 装置的运算时间不 小于160 Ixs 并取I 15倍的可靠系数 t0 arcsin 1 1 2 Id max 18 0 16 Ilimit 1 15 2 Id max sin t0 18 式中 Id max 为各种运行方式下流过FSR1 3的最大短路电流 则FSR1 3的启动电流Ilimit 瞬时值 及时间t FSR1FSR2FSR3 时间mst 0 0 3370 3010 300 启动电流kAiLimit 6 817 637 70 电力系统中限流电抗器的应用研究 20 FSR 电流变化率 大容量高速开关装置的动作电流波形如图8中的曲线4 此曲线在第一个1 4波形 区间电流值等于上述启动电流值的斜率 即为FSR电流变化率的整定值 图中 1为系统大方式下预期三相短路电流曲线 2为短路电流在 FR中衰减曲线 3为FSR的启动电流值 4为峰值为 Limit ii dz I 2 的过电流曲线 5为系统的实际动作电流曲线的电流变化率切线 to为短路电流达到动作值时所需时间 l为电流截止时间 2为电流衰减到零的时问 为截止电流 p I 图图8 8 动作电流波形图动作电流波形图 FSR1 3 18 2 arcsin 314cos3142 314sin2 dzLimit dxti dzdx Iit tIdd tIi 因此 可推算出FSRI 3的电流变化率di dt A s 分别为3 89 3 74 3 73 2 动作条件 FSR的动作取决于启动值 图8中的曲线3 电流变化率di dt 图8中的曲线5 只 Limit i 有在两者同时超过整定值时 FSR才会动作 3 FSR 的截流时间和截止电流 FSR1 3 最大运行方式下的三相短路电流 沈阳农业大学学士学位论文 21 tII d 314sin2 max 装置的