浅析大容量高速自动开关与电抗器并联运行的应用

李新尚

北京首钢股份有限公司 河北，唐山 06440 4

摘要：在电力系统负荷增长，系统短路容量增大，断路器的分断能力不足情况下，串入具有电感特性的限流电抗器来限制系统短路电流，降低短路电流对系统的冲击，提高系统的残压水平；但是在实际运行中，限流电抗器接入电力网存在电压波动、功损耗大、漏磁场等突出问题。为解决这一问题，本文论述了大容量自动快速开关装置的工作原理技术特点及将大容量自动快速开关与限流带电抗器并联接入电力网解决正常运行时电抗器带来的问题，提高电力系统运行的稳定性。

关键词：高速开关，限流电抗器，并联运行，工程应用实例及效果

1 绪论

在电力系统中加装限流电抗器，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，确保系统发生短路时，断路器能可靠切断故障，但是限流电抗器串联在主回路中，正常运行时系统存在以下问题:

1.1 电抗器的有功功耗大。通过查阅厂家资料进行核算，额定电压6.3kV， 额定电流2000A，电抗率8%的电抗器，有功损耗约为10kW/相，其无功损耗更大，长期运行并不经济。

1.2电抗器产生的漏磁场很强，会对附近通讯系统及微机监控系统等产生电磁干扰，影响各系统的稳定性，甚至可能导致其无法正常工作。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。

1.3正常运行时，串联在线路中的电抗器本身会产生压降；因压降随负荷变化，在重负荷启停时，将使电压波动加剧，降低了供电质量。

针对上述情况，采用在限流电抗器两端加装国产的大容量高速自动开关装置(以下简称FSR) 加以解决。

2 FSR 大容量自动高速开关的工作原理和技术特点

2.1装置工作原理

如图1所示，大容量自动高速开关装置主要由载流桥体FS、高压限流熔断器FU、非线性电阻FR及测控单元组成，测量单元包括特种电流互感器CT、控制器ZK和高压脉冲变压器MB。

图1中高压载流桥体FS和特种高压限流熔断器FU在电气上是并联的，桥体本身阻抗与熔断器相比为1:2000，故正常运行情况下，主导流母线中的电流几乎全部流过高压载流桥体FS。当系统发生短路事故时，特种电流互感器CT检测到短路电流信号，将其传递给控制器ZK，由ZK进行信号的分析和处理。若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，ZK将发出点火信号，通过高压脉冲变压器MB，使高压载流桥体FS在几百微秒的时间内高速断开，在其断口开断的过程中，故障电流转移到特种高压限流熔断器FU中，由FU 最后开断短路电流，切除故障。在FU熔断过程中，线路上可能会产生瞬时弧光过电压，弧压使非线性电阻导通，吸收熔断器开断后产生的电弧能量及电源注入的能量，使熔断器顺利熄弧。同时，将截流过电压限制在允许的2.5倍相电压之内。

2.2装置技术特点

（1）流过FSR的故障电流在1ms内被限流并开始衰减，故障电流不可能达到常规概念的预期瞬时最大值(瞬时最大值应出现在故障开始后的第5ms时) ，故障电流最多5ms内衰减到0，故障被完全隔离。

（2）装置采用检测电流幅值和电流的变化率，超过正常值时判断为短路发生，采用三个相同独立工作的CPU部件，以“三取二”表决方式判断，想FS发出分断命令，灵敏度高。

（3）达不到故障预期的冲击电流：由于切断故障电流的时间非常短，避免了短路时电动冲击力对发电机等设备的巨大冲击。

（4）开断过程中无危害性过电压：氧化锌非线性电阻将过电压限制在国家规定的2.5倍额定相电压内。

3 FSR与限流电抗器并联的技术优势

3.1 FSR与限流电抗器并联布置，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、电能损耗和漏磁场等问题。

3.2 正常运行时，FSR串联在线路中的阻抗较电抗器小，运行时FSR上的电压损失较小，因此当负荷变化时，电压波动也较小。

3.3 系统发生短路故障时，FSR快速分断，将限流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的快速性，使故障切除的时间大大缩短(小于5 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。

3.4额定电压6.3kV，额定电流2000A，电抗率8%的电抗器，有功损耗约为10kW/相，在年运行时间8000h的情况下，如电费按0.5元/kWh计算， 限流电抗器有功损耗的电能损失每年将达到 万元。仅从降低电能损耗一项来考虑，采用FSR与限流电抗器并联布置的措施后，每年就可取得直接经济效益12万余元。

4 工程实例

4.1 发电机出口FSR与限流电抗器并联的应用分析

基于对FSR与限流电抗器并联运行的技术优势分析，在一焦化厂干熄焦发电站项目中，采用了上述布置方案。在发电机出口处装设限流电抗器的同时，并联布置了一台FSR高速开关装置。正常运行时，限流电抗器被FSR短接，减少了限流电抗器的有功功率损耗。同时，FSR与限流电抗器并联运行，可以有效减少限流电抗器的无功功率损耗，有利于降低线损，改善了系统的功率因数。FSR与限流电抗器并联运行，在一定程度上消除了限流电抗器磁场和噪声对环境和设备的干扰，满足国家有关电磁场干扰的强制标准。同时，一旦系统中有短路故障发生，由于FSR动作快，在短路电流上升的初始阶段就被截流，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。

4.2 变压器二次侧限流电抗器与FSR并联的应用分析

在某变电站项目中，主变压器：额定容量10000kVA，额定电压35/6.3kV，额定电流165/916.5A；限流电抗器：型号XKGKL-6.3-1200-10，额定电压6.3kV，额定电流1200A；该接线方式存在电抗器带来的电压波动、电能损耗和漏磁场等问题；后经技改在限流电抗器两端并联了FSR自动高速开关（额定电压6.3kV，额定电流1200A），消除了电抗器的无功损耗和电抗器对母线的电压质量的影响，一般会使母线电压降低4-8%，如果遇大型感性负载投入，则电压降更大；降低了电抗器有功损耗，采用FSR后,有功损耗不到300W，年节约电费约50万元，从这点上看，FSR起到了节能降耗的作用。

5 结论

工程中采用FSR装置与限流电抗器并联运行的方案，由于FSR组成器件的物理特性决定了FSR 的快速性和限流性，可以使发电机、变压器及断路器不再受短路电流峰值的冲击，延长了设备使用寿命，同时解决了因电抗器限制系统短路电流而带来的电能损耗、系统电压波动、漏磁场等问题，而且还保留了串电抗器限制短路电流，提高母线残压的功能，使发电机组运行稳定，调压方便，并且节能明显。