某新建工程限流电抗器方案比选

王亚军 孙玏

摘要：根据某新建4×280t/h高温高压燃气锅炉，配套4台50MW直接空冷凝汽式汽轮发电机组工程的实例，分别从技术上和经济性上对零损耗深度限流装置、快速限流器及普通限流电抗器做了简要对比分析，并做出优选方案。

关键词：零损耗深度限流装置 快速限流器 ETAP 经济性

一．工程概况

某新建工程建设规模为4×280t/h高温高压燃气锅炉，配套4台55MW直接空冷凝汽式汽轮发电机组。运行方式为4台锅炉同时连续运行，年运行小时数按8000小时计。该工程发电机采用Y型接线，定子额定电压为10.5kV，中性点不接地。高压厂用电电压等级设计为10KV，直接从发电机出口引接。因发电机短路电流水平较高，为限制高压厂用段母线短路电流，降低设备投资成本，需要在发电机出口与高压厂用电母线之间安装限流装置。

目前常用的国产限流装置分为三种，第一种叫快速限流器，类似于ABB的Is-Limiter；第二种叫零损耗深度限流装置，目前仅国内公司有这种产品；第三种就是常规的普通限流电抗器[1]。

二．三种限流装置介绍

1. 零损耗深度限流装置

图1：零损耗深度限流装置结构图

如上图所示，该装置主要由大容量高速开关与深度限流器并联组成。高速开关（图1中元件4）短路开断能力可达到80kA，且可以反复动作。深度限流器（图1中元件3）与普通限流电抗器相比，由于限流时间短，体积大大减小，直接集成在装置中，因此无需另配普通限流电抗器。

图2：零损耗深度限流装置原理图

零损耗深度限流装置的工作原理如图2所示，正常运行时，快速限流器需K1与普通限流电抗器X并联运行，限流电抗器X是被短接的，负荷电流几乎全部流经高速开关，这样就避免了电抗器的弊端；当短路故障发生时并达到高速开关的设定值时，高速开关在短路电流上升的初始阶段迅速开断，将短路电流转移到限流电抗器，由限流电抗器限制短路电流，将短路电流⽔水平限制到断路器的额定峰值耐受电流值之下，确保故障回路断路器开关设备的动、热稳定不被破坏。确保断路器在接收到跳闸指令后，能正常开断故障回路，隔离故障点，保障整个系统的安全[2]。

但高速开关属交流开关，根据其过零熄弧原理，断路器最快只能在电流过第一个零点时完全分断。当投入电抗器时，可能已经是短路发生10ms之后，短路电流首半波即短路电流峰值并没有减少[3]。因此需要核实下游设备（包括开关柜、断路器、电流互感器等）的额定峰值耐受电流值。

2. 快速限流器

快速限流器的开断部件由两条并联的电流通路组成（见图3）：一个能快速开断的主导体，一个并联熔断器。系统正常运行时，负荷电流流经主导体。当短路发生后，监测单元会立即发出信号，主导体将会迅速爆破

并被切割开断，然后故障电流被迫流入与之并联的熔断器中。熔断器会在第一个大半波之前（10ms内）限制并开断故障电流[4]。

图3：快速限流器的原理图

快速限流器的核心是快速开断器，快速开断器一般采用多断口爆破桥体的设计形式，在坚固的绝缘管的保护下，导体材料上布置了相应数量的感应填充物（见图4）。当收到跳闸信号的激发时，这些感应填充物能快速的定向爆破，从而实现导体的快速开断，确保了装置的快速性（见图5）。

图4：快速限流器正常运行状态

图5：快速限流器动作后的状态

快速限流器因其采用快速爆破式技术，能在10ms内投入限流熔断器，从而将短路电流限制到预期值的15%，该种设备在技术上是可行的，但是该设备一旦动作，需要整体更换。按厂家提供的运行经验约每6年左右动作一次，每次更换备件的费用约8万元，维护费用较高。

3. 普通电抗器

根据《电力工程设计手册》，装设限流电抗器是电厂中通常采用的几种限制短路电流的措施之一，工程应用也最较普遍。为减少自身损耗，目前多数会选用干式空心电抗器。它是由三个单相的空心线圈构成的，没有铁芯，所以称为空心电抗器。该产品技术成熟，故障率低。普通限流电抗器的额定电流应按馈线回路的最大可能工作电流进行选择。针对本工程，限流电抗器的额定电流选择1250A。为起到限制短路电流的作用，需要其长期在回路中运行，负荷电流流经电抗器便会产生电能损耗，这是不可避免的。

此外，电抗器还会造成电压损失，按规范要求，正常工作时，电抗器的电压损失不得大于母线额定电压的5%。在满足电压损失的前提下，限制厂用段短路水平25kA以下，最终限流电抗器的电抗百分值选择6.5%。

三．系统短路水平分析

根据本工程系统图及相关设备参数，通过ETAP软件做系统短路水平分析：

图6：系统三相短路稳态电流

表1：系统三相短路时发电机出口短路报告

表2：系统三相短路时发电机出口开端和直流故障电流表

表3：系统三相短路时10KV厂用段母线短路报告

表4：系统三相短路时10KV母线开断和直流故障电流表

四．技术分析

发生短路时，电力系统从正常的稳定状态过渡到短路的稳定状态，一般需3～5秒。在这一暂态过程中，短路电流的变化很复杂。在短路后约半个周波（10ms）时将出现短路电流的最大瞬时值，称为冲击电流。它会产生很大的电动力，其大小可用来校验电力设备在发生短路时机械应力的动稳定性。冲击电流是短路分析的重要内容。

根据本工程短路计算结果，发电机出口短路电流交流分量有效值为52.82kA，峰值为141.66kA。采用零损耗深度限流装置，根据高速开关过零熄弧原理，断路器最快只能在电流过第一个零点时完全分断。当投入电抗器时，可能已经在短路发生10ms之后，短路电流首半波即短路电流峰值并没有减少，厂用中压馈线回路短路时，短路电流交流分量有效值为19.5kA，峰值为141.66kA。当采用普通电抗器时，电抗器一直串在回路中，短路发生时便可以开始限流，此时回路短路电流交流分量有效值为19.5kA，峰值为51kA，故当采用普通电抗器时下游馈线回路可采用分断能力25kA的断路器，其动稳定峰值耐受电流为63kA，可满足使用需求。当采用深度零损耗限流装置并且下游采用分断能力25kA的断路器，实际的短路峰值电流141.66kA已经远远超过下游断路器的额定峰值耐受电流63kA，这可能导致下游断路器因无发承受短路机械应力而出现载流部件发生变形，引起故障甚至爆炸的危险。即使下游断路器选择最大分断能力50kA的常规断路器，其额定峰值耐受电流为125kA，仍不能满足实际短路峰值电流141.66kA的要求。

  采用快速限流器，因其采用快速爆破式技术，能在10ms内投入限流熔断器，从而将短路电流限制到预期值的15%。本工程发电机出口短路电流交流分量有效值为52.82kA，峰值为141.66kA，经快速限流器后选用分断能力25kA的断路器，动稳定峰值耐受电流为63kA的断路器完全能够满足工程需求。

   图7：快速限流器短路电流曲线

五．经济性分析

如选用普通限流电抗器，采购价格约为15万元。按目前常用的干式空芯铜绕组电抗器计算，满负荷工况（导体温度按75℃计算）时每相损耗约4.3kW，考虑负载系数0.75后，三相总损耗7.25kW，按年利用小时8000h计，每年消耗电能58000kWh。按电价0.25元/kWh计算，电费约1.45万元。

如采零损耗深度限流装置，采购成本约为60万元/套。电抗器损耗几乎为零。与普通电抗器相比，多投入的静态投资回收期约30年，经济性并不突出。

如采用快速限流装置，其采购成本约为40万元，正常使用期间无额外的成本，但其每6年需要更换一次爆炸体，每次更换的费用约为8万元。

按机组设计寿命30年计算，3种方案的成本预期如下表：

方案	设备费用	后续费用	总投资
普通电抗器	15	43.5	58.5
零损耗深度限流装置	60	0	60
快速限流器	40	32	72

表5：30年预期总投资

六. 结论

综上所述，在本工程的应用中，快速限流器虽然技术上可行，但造价较高，且一旦动作需要更换备件，经济型较差；零损耗深度限流装置存在技术风险，且造价较高，经济性并不显著；而普通限流电抗器更可靠，虽然会产生电能损耗，但相比较而言经济性并不差，且相对于其他两种方案后续的维护成本更低，更适用于本工程。

参考文献

【1】范德和 李新海 肖星  10KV零损耗深度限流装置技术研究[J].广东电力, 2019, 32(08): 17-23.

【2】郭志强 吴硕 一种基于快速闭合的真空断路器短路电流限制器[J].自动化技术与应用, 2010, 29(07): 111-113.

【3】李品德 李梦菲 陈刚 基于快速真空断路器的深度限流装置风险评价[J].  高压电器 2013.49(07), 80-84.

【4】康小刚  ABB 快速限流器在煤化工行业的应用[J].  山东工业技术, 2018, 146(20)，165-166.

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