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【摘 要】本文针对部分钢铁企业自备电厂的发电机组容量、台数及供电网络容量不断增大情形下在发电机出口或并网母线等处发生三相短路故障时其短路电流水平往往超过相关断路器的额定开断能力，造成故障情形下相关断路器开断困难甚至发生爆炸等严重后果。而在发电机出口或高压厂用电母线进线回路中串联高速开关同时并联限流电抗器的方法，则既可保证电力系统在上述各种故障情形下选用较低开断水平的断路器，节省电气设备投资、减少现有相关电网改造的停电时间，又可保证自备电站正常时的经济运行。
【关键词】大容量高速开关FSR；限流电抗器；钢厂自备电厂
1 某企业建造自备煤气发电机组的背景
某钢铁企业高炉煤气原用户主要为城市居民用户，现该类用户已改采用天然气燃料，因而该企业高炉煤气有较大富余，在无新用户的情形下，将高炉煤气直接燃烧、排放不但浪费了大量的能源，也给大气环境造成了破坏，违反了国家节能环保产业政策要求。而利用该部分高炉煤气做为燃料建造一座企业自备热电站为最合理的解决方案，经煤气平衡计算，企业拟建一座35MW高炉煤气发电机组（以下简称发电机组）。
2 发电机组并网后限制其提供的短路电流方案
2.1 发电机组并接企业现有电网后对系统短路电流的影响
按企业现有电力负荷分配及平衡状况，发电机组拟并网于中区配电所现有10kV高配室，该高配室现经型号为YJV-8.7/15kV，规格为1×400mm2电缆送至金山变电站10kV母线，再经过一台110/10kV 50MVA主变压器与企业110kV总降变电所110kV侧联络。中区配电所10kV高配室现有各开关柜真空断路器额定开断电流为40kA。一旦发电机组并网投入后，将会使得中区配电所10kV高配室主母线及其馈出线在发生三相短路时，短路次暂态电流将达到46.37kA，超过各断路器额定开断电流值，故障条件下强行开断，会发生断路器爆炸的严重后果。
发电机组拟并网的电气主接线如图1：
图1 发电机组拟并网的电气主接线图
并接发电机组后电网相关短路点等值正序电抗图（发电机组出口电抗器被FSR短接）如图2：
图2 等值正序电抗图
表1 短路电流计算表
由表1可看出，系统在发电机组并网后，d1、d2点10kV母线的短路时短路电流均超过断路器的开断电流40kA的开断范围。
2.2 发电机组出口串联限流电抗器的优缺点
2.2.1 发电机组出口串联限流电抗器的优点
高速线材10kV高配室已投入运行多年，若由于发电机组的并网而使得现在所有10kV联络的真空断路器40kA开断电流全部不合适。故初步考虑在发电机出口串联10kV，2500A电抗率为10%的干式铜芯限流电抗器，当d1点短路时，将其总短路电流限制为40kA以内，满足10kV高配室现有各断路器的开断能力要求。
2.2.2 发电机组出口串联限流电抗器的缺点
发电机组出口串联限流电抗器后将出现以下不良影响：
（1）造成较大的运行电能损耗，以10kV 2500A电抗率为10%的电抗器为例，其单相有功损耗为Pk=11.64kW，一组电抗器（三相）一年造成的电能损耗为3*Pk*T=3×11.64×7800=272376kWh，按工业用电平均电价0.68元/kWh 计算，电抗器年消耗电能折合人民币18.52万元，给企业造成了浪费。
（2）发电机出口串联限流电抗器，由于电抗器上的电压损耗，将影响发电机的供电电压质量。
（3）电抗器运行时在其周围空间形成较强的交变电磁场，长期运行对建筑物结构产生震动及对周边通讯线路、自动化设备等均会造成影响，并且运行时伴有较大噪音。
（4）电抗器漏磁场会在其周围楼板、墙体等处钢筋产生附加损耗。
2.3 电力系统并接发电机后发生短路故障时的电气特点
在发电机出口或发电机电压母线处发生三相短路故障时，发电机提供的次暂态电流一般为发电机额定电流的6～7倍，冲击电流达到发电机额定电流的15～18倍，且在短路后10mS（半个周波）左右时达到冲击电流的最大值，但电力系统继电保护装置响应时间约20mS，断路器固有分闸时间约60mS，熄弧时间约20mS，故障切除总时间约100mS（约4～5个周波），此时电力系统中各一次元件如发电机、变压器、互感器、母线、绝缘子等在系统及发电机共同提供的短路电流作用下须承受较大的动、热稳定冲击。
2.4 高速开关FSR的基本原理
如果在发电机出口串联限流电抗器后在正常运行时将电抗器短接，在系统发生短路故障时又迅速将电抗器投入，以降低短路点的预期短路电流，再由故障回路断路器切断故障线路或元件后，保证系统中其它非故障线路及元件的连续运行，此举还可使得电力系统中配电装置均可选用较低等级或轻型的一次元件，节省电气投资。大容量高速开关FSR就是这样一种电气设备，在部分热电站已有实际工程应用，业主反映其运行及开断均可靠。
高速开关FSR一次回路由桥体FS、高压熔断器FU及过电压保护器FR组成，并配置有测控单元、专用电流互感器、脉冲变压器等监控元件。FSR并联限流电抗器XL后串接于发电机出口或发电厂高压厂用电进线或中压配电网母联等回路，正常时高速开关FSR闭合，限流电抗器XL被短接，发电机发出的电流由高速开关桥体FS承载流入电力系统。当电力系统某处发生短路时，在短路初始阶段， FSR的测控单元对流过其的短路电流瞬时值（id）及短路电流上升速率（id/it）进行判断，当两者均超过设定值时迅速动作，使得高速开关桥体FS经1mS左右快速开断并同时将短路电流转移至高压熔断器FU回路，在短路电流作用下经2mS左右高压熔断器FU熔断，短路电流被转入与FSR并联限流电抗器XL回路，使后者在极短的时间内串入一次电路中（此时流过电抗器的短路电流尚处于上升而远未达到预期短路电流的峰值，两者之比约为1/10～1/5），使得电路短路阻抗增大，短路电流随之变小限制在各相关断路器开断范围内，并由故障线路继电保护动作，由其断路器切除故障线路，电力系统恢复正常运行。
图3 高速开关开断短路电流的电气特性曲线
（1）系统最大运行方式下预期三相短路电流曲线；
（2）短路电流在FSR中衰减曲线；
（3）FSR启动电流值i=I limit
（4）峰值为√2xIdz电流曲线
（5）系统实际动作电流曲线的电流增长率切线
t0：短路电流达到动作值所需时间
t1：电流截止时间
t2：电流衰减到零的时间
ip：截止电流
电力系统的主要元件基本由感性、容性及阻性设备组成，绝大多数为感性元件，一旦出现开断感性负载的线路或元件时，其内储存的电磁能将通过断路器或熔断器的端口以电弧能的型式释放，若此能量太大，势必会造成断路器灭弧室或熔断器壳体的压力超过其可承受的极限而发生爆炸。采用金属氧化锌避雷器与熔断器并联，可由高压熔断器FU产生的弧压将避雷器非线性电阻FR导通，吸收剩余能量并保证FU可靠熄弧。
3 高速开关FSR及并联限流电抗器的参数设计
3.1 FSR的参数设计
3.1.1 FSR的参数设计
额定电压 Ue=10kV
额定电流 Ie=2500A
启动电流 i limit=5kA
动作电流 i dz=10kA
电流增长率 di/dt=4 A/us
3.1.2 FSR的动作条件
FSR动作取决于启动电流i limit及电流增长率 di/dt，当两者均超过设定值时，FSR才会动作。
3.1.3 FSR的截流时间及截止电流
流过FSR的最大三相短路电流 i =36.29√2sin18t
装置运算时间 t0=0.242mS
截流时间 t1=0.842 mS
截止电流 ip=15.39 kA
3.1.4 FSR的配置及结构
大容量高速开关装置FSR基本配置：
FS载流桥体 2500A 10kV
FU限流熔断器 10kV 环氧管
FR氧化锌组件 U1mA=14.07 kV
专用电流互感器 3000：2
专用脉冲变压器 MBJ2-20
柜内微机型测控单元 FSR-ZK
3.2 并联限流电抗器XL参数
额定电压 Ue=10kV
额定电流 Ie=2500A
电抗率 XL=10%
4 高速开关动作与继电保护的配合
对于一次回路中串接高速开关的电力系统，高速开关的开断电流设定值应与相关线路的继电保护动作设定值进行有效配合，以满足继电保护的选择性及供电连续性的要求。在发电厂电气主系统中，当发电机出口、发电机电压母线或低压厂用变压器高压侧等处发生短路时，由于短路阻抗较小，流经高速开关FSR的短路电流（id）较大且短路电流上升速率（id/it）较高，一旦达到设定值，高速开关FSR迅速动作开断，投入电抗器，故此时高速开关FSR的电流动作值应按小于与之串联的发电机出口断路器额定开断电流值，以保证发电机出口断路器不会开断超过其额定开断电流的故障电流；当在厂用变压器低压侧发生短路时，由于短路阻抗较大，流经高速开关的短路电流（id）较小且短路电流上升速率较低（id/it），高速开关不应动作，而应由相关厂用变压器高、低压侧断路器动作切除故障。
5 结束语
大容量高速开关FSR具有额定电流大，开断能力强、切除速断快，对于维持电力系稳定、保证设备安全、减少电气设备投资及经济运行都有重要意义。
但该接线方案尚存在一些难以克服的缺点，如当高速开关动作后，其桥体、高压熔断器均须重新更换，需要增加投资，并且有一定的发电机停电修复时间。高速开关开断的稳定性及安全性也需经工程实践进一步验证。
【参考文献】
[1]张慕良.自备电站[M].北京：化学工业出版社，1989.
[2]张慕良.企业小型热电站电气设计[M].水利电力出版社，1989.
[3]王川.FSR大容量高速开关装置[Z].合肥：安徽徽电科技股份有限公司，2012.
[责任编辑：薛俊歌]