快速限流器在水泥厂余热发电系统中的应用

快速限流器在水泥厂余热发电系统中的应用

朱润航，李公度[中国中材国际工程股份有限公司

来源：《水泥工程》

0前言

为满足现代建筑行业发展对于水泥的需求，余热发电技术以其能够充分利用水泥生产环节中产生的热能转化为电能，保证水泥厂生产效率的同时，节约厂区用电成本并降低环境污染的特性，逐渐在国内外水泥厂中应用开来。由于水泥厂余热发电并网处原始条件的限制，随着余热发电系统的接入，可能会导致并网处高压柜断路器额定容量无法满足短路电流计算选型要求，从而威胁全厂电力系统安全。本文通过平阴山水水泥有限公司三期5 000 t/d水泥熟料生产线项目的应用实例，提出快速限流器在余热发电系统运行时限制短路电流的方案。

1存在的问题

本文所述方案基于中材国际设计的平阴山水水泥有限公司三期5 000 t/d水泥熟料生产线项目的应用实例。安城110 kV变电站1号变压器型号为SF⁃SZ9-40000/110，容量40 MVA，输入电压110 kV，输出电压6.3 kV，供平阴山水水泥有限公司园区内1号、2号两条熟料生产线及1号余热发电机组并网使用。2号变压器型号为SSZ10-50000/110，容量50 MVA，输入电压为110kV，输出两个电压等级，分别是35 kV和10.5 kV，目前使用的是10.5 kV等级，输出4回路为附近村庄以及工业园区供电。随着平阴山水水泥有限公司的不断发展，公司拟新建3号生产线：一条5 000 t/d水泥熟料线及12 MW余热发电机组。现将原1号主变压器由40 MVA增容为63 MVA三绕组有载调压变压器,电压等级110 kV/35 kV/6 kV。

涉及到电气系统改造，就需要判断原电气系统设备的短路电流承受能力是否能够承受系统改造后的短路电流，从而把短路危害抑制到最低限度，为此必须进行短路电流计算，以便判断是否需要针对短路电流进行相应的改造。

2原因分析

为计算短路电流，需知包括总降压变，三条水泥线的高压电机，以及两套余热发电机组在内的设备参数。通过详细了解平阴山水水泥有限公司目前正常运行时主要负荷，主要负荷参数见表1。发电机资料在本文中不做赘述。

此外，还需知道总降所接外网的短路容量以及线路长度及阻抗。按照规划，2030年安城站由城东110 kV变电站主供电，玫瑰220 kV变电站热备用供电。根据业主提供资料，2030年城东110 kV变电站110 kV短路最大容量为1 814 MVA，线路导线型号为LGJ-240/30，线路长度为9.16 km；2030年玫瑰220 kV变电站110 kV短路最大容量为2008 MVA，线路导线型号为LGJ-240/30与LGJ-300，线路长度为13.1 km；

以上述数据为依据，并根据厂区电气系统单线图见图1，利用ETAP电气分析计算软件搭建仿真模型进行短路电流计算模拟得出短路电流计算仿真图见图2，3。

安城110 kV变电站在1号余热发电机组并网处原有阻抗18%限流电抗器，经ETAP软件仿真得以下结果。当3号线12 MW余热发电机组不接入系统时，（1号主变）6 kV侧的短路电流值为39.718 kA（见图2）。当3号线12 MW余热发电机组接入系统时，（1号主变）6 kV侧的短路电流值为47.783 kA（见图3），此时短路电流值已超过高压柜断路器40 kA的允许值。所以需要合适的限流措施使短路电流值满足系统要求。

3解决措施

对于该项目，原有阻抗18%限流电抗器，已无法满足短路电流限制需求。限制短路电流措施有三种方案：(1)在3号12MW余热发电机组并网处串联一台电抗器；(2)对现有限流电抗器进行替换，增加电抗器的电抗率。(3)当发生短路故障时，及时将3号12 MW余热发电机组从水泥厂电网系统中切除。

一方面安城110kV变电站空间有限，无法额外提供一台电热发电机组不接入系统时，(1号主变)6kV侧的短路电流值为39.718kA已接近40kA,即使在3号12 MW余热发电机组并网处串联一台电抗器已无太大意义。

另一方面替换原有限流电抗器增大电抗率的做法由于原限流电抗器的电抗率已达到18%,再增大电抗率会存在很大的电能损耗，系统有大的波动时如启动大容量电动机产生大的电压降影响其它设备正常运行，使发电机调压困难影响系统稳定。

综上所述，采用第三种限制短路电流的方案。该项目从经济性，可靠性，可行性等角度综合考虑，最终选用国产品牌英诺威电气生产的UFCL快速限流器。

快速限流器又名故障电流限制器FCL(Fault

Current Limiter),指串联于电气回路中，能对流经其的短路电流的瞬时值(包括第一个大半波峰值)有效限制的设备。

根据其主要工作原理，可以分成以下三大类：

(1)基于电力电子技术的FCL(适用于超高压领域);

(2)基于超导技术的FCL;

(3)基于爆破切割技术的FCL(适用于中压)。

该项目采用的快速限流器原理基于爆破切割技术。可以在短路电流达到预期峰值前，将新建发电机组从水泥厂电网系统中切除。基于爆破切割技术的快速限流器主插件由一个并联回路组成：一个可通过高额定电流、反应极快的开关主导体(快速开断器),一个与之并联的高遮断容量的限流熔断器。快速限流器主导体(即快速开断器)内设有一个或多个爆破点，跳闸时，这些爆破点迅速爆破切割，将快速开断器电路切断，可以实现三相全开断时间小于10 ms,即在短路电流首半波上升的初期快速识别、动作，在短路电流达到预期峰值i,前限制并开断(见图4),将故障回路总的短路电流限制到该项目断路器开关能够耐受并开断的能力以内(即<40kA),从而避免短路电流对系统设备的动热稳定造成灾难性损坏。

同时由于快速限流器由基座、限流器主件、电流互感器及监视及指示单元等组成，并安装于金属封闭空气绝缘的开关柜中。装置所需布置空间不大，可以安装于3号12MW余热发电汽机房中，不需要占用安城110 kV变电站的空间。

平阴山水项目至今未发生过短路故障，运行效果良好。

4结语

近年来，为满足现代建筑行业发展对于水泥的需求，余热发电技术已逐渐成为主流，对于老线改造或者原始设备有所限制的水泥厂，常常会遇到余热发电并网后短路电流超过其设备允许值的情况。然而从经济性，可行性考虑，传统短路电流限制措施已无法满足所有情况的需求。此时快速限流器FCL,作为一种实用新型的技术改造手段，可以最大程度避免为了限制短路电流而产生的改造时间成本及土建成本。国产快速限流器也逐渐在各大工业及民用领域普及，部分厂家的技术参数已能比拟国外同类型产品，性价比却更高。快速限流器在水泥厂余热发电系统中的应用，是一次提高电力系统安全可靠性的尝试，将来一定会在水泥行业中出现更多的应用前景。

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