ABB快速限流器在煤化工行业的应用

康小刚

摘 要：煤化工行业是近年来一个新兴的产业，由于市场前景好，近些年来发展迅猛，煤化工由于工艺要求，主变变压器有时需要进行并列运行。本文通过该项目，介绍了变压器并列运行造成短路电流超标问题的解决方法、快速限流器的分类、动作原理和快速限流器在限制短路电流中的一些优点，最后还介绍了ABB快速限流器的特点。

关键词：短路电流；第一个大半波峰值；快速限流器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.146

0 引言

该煤化工项目110kV中心变电站（以下简称变电站）的电压等级分为110kV、35kV两个电压等级，110kV和35kV均为单母分段，电源由外部、内部两部分组成，外部电源由110kV输电线路进行供电，内部由两台自备发电机进行供电（见图一）。变电站配置四台容量为75MW的110kV/35kV降压变压器（T1-T4）和两台容量为75MW的10kV/35kV升压变压器（T5-T6），35kV电气设备的额定短路电流为32kA。正常运行时，110kV、35kV母联开关均为分开状态，六台变压器为分列运行状态，35kV母线d1处短路电流为17kA，满足额定短路要求； 当110kV、35kV母联开关在闭合状态，六台变压器转为并列运行状态，此时35kV母线d1处短路电流如下：

基准容量=100MVA，发电机额定功率=60MW 功率因素cosφ=0.80，根据发电机参数得知 。

从以上计算可以看出，并列运行方式下，d1处的短路电流值为34.9kA，大于额定短路电流32kA，存在安全运行隐患。如果不采取限制短路电流措施，当35kV母线及35KV出线下端出現短路故障时，通过35kV断路器最大短路电流达到34.9kA，大于额定开断电流32kA， 35kV断路器将会由于开断容量不够造成断路器炸裂的事故。变压器并列运行是煤化工行业一种常用的运行方式，该运行方式下，所有变压器均并联在同一电压母线上，可以方便的退出一台变压器进行检修，其他变压器仍可继续运行，减少由于变压器检修造成的停电减产、停工；同时煤化工企业大部分都在北方区域，由于季节原因，在负荷轻的冬季可以将部分变压器退出运行，可以减少变压器的空载损耗和无功励磁电流，改善电网的功率因数，提高煤化工企业运营的经济效益。

1 解决系统短路电流超标的几种方案

（1）提高35kV开关设备短路电流。将35kV开关设备短路电流额定值提高到40kA，由于投资资金大，设备改造工程量大且周期长，严重影响工程进度，所以该方案不予采用。

（2）串联电抗器，限制短路电流。通过串联电抗器，增加系统阻抗，限制短路电流。该改造方案有两种，一种是在主变压器低压侧处串联电抗器，一种是在母联处串联电抗器。根据设计规范，选择电抗器时，既要将短路电流限制到要求值，又要使电抗器的电压损失不超标母线额定电压的5%，经计算，两种方案在串联电抗器时，d1处的短路电流值和电压损失均不能同时满足设计规范要求，同时35kV干式空心电抗器体积庞大，由于项目已建成，变电站内也没有合适地方可以安装，所以该方案也无法实行。

（3）加装快速限流器，限制短路电流。快速限流器最大开断短路电流可达210kA有效值，完全可以满足开断该项目短路电流的要求；同时由于动作时间快，也不会给母线带来任何电压降。快速限流器可以在开关柜柜内安装，外壳尺寸与开关柜尺寸一致，可以拼接插入到母联柜和提升柜之间，缩短现场施工工期、减少工程量，大大降低改造费用。经综合评定，选用快速限流器方案。

2 快速限流器的分类

快速限流器是限流器的一种，具有开断迅速、分断容量大等特点，基本功能是在电流上升的初期（小于1毫秒）感知短路电流值并加以限制，将短路电流限制在第一个大半波上升的初期，确保短路电流回路中的母线、断路器、电缆、变压器的机械结构不被电动力破环。根据采用的技术类型不同，归纳为以下三种类型：

（1）超导技术型快速限流器。超导技术型就是利用超导材料的超导特性，当超导材料通过一定值的电流时，超导材料立刻变为高阻抗状态，从而起到限制短路电流的作用，目前还在试用阶段，成本相对较高。

（2）电力电子技术型快速限流器。利用半导体元件的通断，投入和切除并联在半导体上的电抗器起到限流作用，由于受到电子元器件的短路容量限制，使用范围受到限制，目前在短路容量较小的配电系统中有应用。

（3）Is型快速限流器。第一套Is型限流器由ABB的Calor Emag公司在1955年发明创造，采用一种化学类的感应填料填充在快速限流器主回路内，经脉冲变压器触发后，在1ms内将主回路断开，是目前世界上开断速度最快、开断容量最大的快速限流器，目前全球已有上千台的应用业绩，随着国内对提高电能质量和电力系统可靠性要求的日益增长要求，目前国内市场也逐渐成熟。国内厂家也有相类式型号的产品（爆炸桥型限流器）在生产销售。

3 快速限流器的工作原理

以下以Is型快速限流器为例，介绍快速限流器的工作原理。快速限流器装置主要由专用电流互感器、测量与跳闸触发装置、脉冲变压器、Is主回路本体（包含熔断器）四部分构成（见图2），动作过程如下：

当发生短路故障时，专用电流互感器①将一次短路电流转为二次信号传输给测量与跳闸触发装置②，测量与跳闸触发装置时刻在监测所流过电流的瞬时值及其上升坡度，当两个整定值同时达到或被超过时，发出跳闸脉冲给脉冲变压器③。脉冲变压器的作用除了触发Is主回路本体④中的感应填料外，同时还起到测量与跳闸触发装置与系统同电位的感应填料的高低压电气隔离作用。由于Is主回路本体的电阻是微欧级，并联在Is主回路本体上的熔断器的电阻是毫欧级，正常运行时电流基本全部从Is主回路本体上流过。感应填料引爆后Is主回路本体被炸断，Is主回路本体电阻瞬间由微欧级转为高电阻，电阻值远大于并联的熔断器电阻， 短路电流迅速转移到熔断器上流过，此时由熔断器将短路电流开断掉，使短路电流在大半波高峰前被切断。

根据国标规定，在规定的使用和性能条件下，开关设备和控制设备在合闸位置能够承载的第一个大半波的电流峰值，额定峰值耐受电流达到 2.5 倍额定短时耐受电流。因为电力系统在出现短路故障时，短路回路中的短路电流会迅速升高，通常为额定电流的几倍或十几倍，数值可达上千安培，该电流通过电气设备和导体时会产生很大的电动力，短路过程中电动力最大值是出现在第一个大半波峰值，例如系统的短路电流为32kA（有效值），设备最大可承受的第一个大半波峰值的瞬时值为80kA，如果系统预期短路电流超过该数值，短路回路中的电气设备（母线、变压器、断路器、互感器、穿墙套管）的机械结构将会被超标的电动力破环。

4 快速限流器的优点

4.1 减少短路时的回路压降

由于没有串联电抗器的阻抗，极大的降低了负荷冲击（如大电机启动）引起的电压降，同时也避免低压开关脱扣器因为短路时的瞬间低电压造成的脱扣跳闸。

4.2 节约能源，降低费用

以一组10 kV/3000 A、电抗率12%的限流电抗器为例，按照NKSL电抗器样本的参数，其阻抗值约为0.231Ω，三相有功损耗约为68 kW，全年满负荷运行损失电量W1=60万kWh，电价按0.5元/kWh计算，每年仅有功损失折合人民币近30多万元。通过将快速限流器跨接到电抗器两端，将电抗器短接，正常运行时，电流基本全部通过快速限流器，电抗器没有任何功耗，起到节约能源作用；当回路出现短路电流时，快速限流器瞬间动作，电抗器立刻投入，起到限制短路电流作用。

4.3 降低系统升级投资成本

当对现有系统扩充时，通常会遇到系统短路容量不足的情况，通过快速限流器将新旧两个系统连接起来，是解决该类问题的一个很好方案，可以节约投资更换设备的费用。

该项目最终采用Is技术型限流器，具体为ABB的Is—Limiter快速限流器（见图3），通过在35kV母联开关串联一台ABB快速限流器，起到限制35kV母线d1处短路电流的目的。一般开关设备采用存储的机械能量作为开关操作的能量，如弹簧机构、液压机构，其动作时间为几十毫秒，如采用此类操作机构，无法保证在短路电流的峰值到达之前使开关动作。为使开关快速动作，ABB快速限流器采用一种新型的感應填料填充在Is主回路本体内作为动作材料，其整个动作时间为： T=T1+T2+T3<1ms

T1： 检测装置动作时间15us

T2： Is快速限流器主回路动作时间85us

T3： 熔断器动作时间500us

从启动到切断短路电流，整个过程时间不超过600 us ，是目前世界上最快的Is技术型限流器。ABB的Is—Limiter快速限流器具有以下特点：

（1）运营费用低。那一相短路电流超过预定动作值，那一相主回路本体动作，其余相不动作。动作后的主回路本体返厂维修后，可重复使用，节省后续运营成本。

（2）快速恢复事故。主回路本体和熔断器安装在一个可更换的底座上，两端为杠杆式的卡紧装置，可以快速拆装主回路本体，便于出现短路故障后的系统的快速恢复。

（3）安装方式灵活。可以安装在移动手车上，推进开关柜；可以直接安装在开关柜柜内或安装在开关柜顶部、母线桥架上。

（4）专用调试工具。ABB快速限流器配有专门的调试工具和调试软件，通过测试装置施加模拟电流，对启动值和动作值进行校验，检测脉冲变压器的脉冲信号是否发出，校验快速限流器动作的可靠动作。

5 结束语

多个主变变压器并列运行，导致系统短路电流超标是目前很多煤化工工业客户（包其他工业）一直困扰的问题，本文通过对主变变压

器并列运行后的短路电流计算和分析，提出全新的快速限流器的解决方案。给出快速限流器在系统中应用的优点，除了限制短路电流还可以避免短路故障时造成的母线电压损失，与限流器并联使用还可以起到节能的作用。对短路电流第一个大半坡峰值对电气设备造成的不可逆损坏进行阐述，希望能引起电气设备管理者的重视。目前很多电气设备（尤其是变压器绕组、穿墙套管）都是因为短路时大半波冲击电流的电动力造成永久的损坏，所以，限制系统短路电流是一项重要工作，快速限流器的应用在该项工作中扮演者重要的角色。

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