电力系统中限流电抗器的应用研究论文讲解.docx
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电力系统中限流电抗器的应用研究论文讲解
编号（学号）：
12244001
毕业论文
（2012届本科）
题目：
电力系统中限流电抗器的应用研究
学院：
信息与电气工程学院
专业：
农业电气化与自动化
姓名：
于晟旻
指导教师：
吴秀华
完成日期：
2012年05月30日
摘要
本文在宏观方面研究限流电抗器在电力系统的作用原理和应用.电力系统接入限流电抗器，可有效解决电力系统短路电流过大的问题，但同时也会影响断路器暂态恢复电压、输电线路工频过电压以及操作过电压的大小。
限流电抗器的引入，使得由空载输电长线路的电容效应、不对称短路以及甩负荷引起的工频过电压增大至1.29pu，略低于行业标准限值1.3pu。
建议在安装限流电抗器之前，对线路工频过电压进行校核，以保证运行安全。
采用电抗器限制500kV线路的短路电流是一种可行的方法。
但在限制短路电流的同时，电抗器的引入会引起断路器瞬态恢复电压的变化，分析不同短路情况下电抗器对瞬态恢复电压的影响，分析表明，三相短路时对瞬态恢复电压的影响要比单相短路时严重，采用并联电容器的方法可以降低瞬态恢复电压的影响，但要求的电容器容量较大。
关键词：
限流电抗器；瞬态电压；并联电容器；工频过电压
Abstract
Inthisthesis,limitingreactoratthemacrointheroleandapplicationofthepowersystem,Current-LimitingInductor（CLI）isusedtolimitthemagnitudeoffaultcurrentinpowersystems.Meanwhile,theintroducingofCLIwillchangethetransientrecoveryvoltage（TRV）ofcircuitbreaker,powerfrequencyovervoltageandswitchingovervoltageoftransmissionline.SimulationresultsshowthatconfiguringCLIwillmakepowerfrequencyovervoltage,causedbycapacitanceeffectsoflongdistancetransmissionline,asymmetrygroundingfaultsandloadrejectionofline,risingupto1.29pu,namelyslightlylowerthanthelimit1.3puspecifiedinindustrialstandard.ItisrecommendedthatcheckoflineovervoltageshouldbedonebeforeCLIisinstalledintransmissionline.
Air-coredcurrent-limitinginductor（CLI）isusedtolimitthemagnitudeoffaultcurrentin500kVpowersystem．Whilelimitingshortcircuitcurrent，effectsofCLIontransientrecoveryvoltage（TRV）areresearchedinthispaper．CombiningwiththeprojectofEastChinapowersystem，theeffectsofCLIonTRVisanalyzedindetail．Theresultsshowthattheeffectofthree-phaseshortcircuitisseriousthanthatofsingle—phaseshortcircuit，andparallelcapacitorcanreducetheTRV，butthecapacitanceistoolarge
Keywords:
Current—limitinginductor；Transientrecoveryvoltage；Paralleledcapacitor;Powerfrequencyovervoltage
1.电抗器概述
1.1电抗器的原理
电抗器也叫电感器，一个导体通电时就会在其所占据的一定空间范围产生磁场，所以所有能载流的电导体都有一般意义上的感性。
然而通电长直导体的电感较小，所产生的磁场不强，因此实际的电抗器是导线绕成螺线管形式，称空心电抗器；有时为了让这只螺线管具有更大的电感，便在螺线管中插入铁心，称铁心电抗器。
电抗分为感抗和容抗，比较科学的归类是感抗器（电感器）和容抗器（电容器）统称为电抗器，然而由于过去先有了电感器，并且被称为电抗器，所以现在人们所说的电容器就是容抗器，而电抗器专指电感器。
电抗器是电力系统中用于限制短路电流、无功补偿和移相等的电感性高压电器。
由金属导线绕制而成具有电抗，用以减小短路电流的电气设备。
按其绕组内有无主铁心分为铁心式电抗器和空心式电抗器。
最通俗的讲，能在电路中起到阻抗的作用的东西，我们叫它电抗器。
电力网中所采用的电抗器，实质上是一个无导磁材料的空心线圈。
它可以根据需要布置为垂直、水平和品字形三种装配形式。
在电力系统发生短路时，会产生数值很大的短路电流。
如果不加以限制，要保持电气设备的动态稳定和热稳定是非常困难的。
因此，为了满足某些断路器遮断容量的要求，常在出线断路器处串联电抗器，增大短路阻抗，限制短路电流。
在应用了电抗器以后，发生短路时，电抗器上的电压降落较大，所以也起到了维持母线电压水平的作用，使母线上的电压波动较小，保证了非故障线路上的用户电气设备运行的稳定性。
1.2电抗器的结构
（1）该进线电抗器为三相，均为铁芯干式。
（2）铁芯采用优质低损耗进口冷轧硅钢片，气隙采用环氧层压玻璃布板作间隔，以保证电抗器气隙在运行过程中不发生变化。
（3）线圈采用H级漆包扁铜线绕制，排列紧密且均匀，外表不包绝缘层，且有极佳的美感且有较好的散热性能。
（4）进线电抗器的线圈和铁芯组装成一体后经图1电气设备电抗器
过预烘→真空浸漆→热烘固化这一工艺流程，采用H级浸渍漆，使电抗器的线圈和铁芯牢固地结合在一起，不但大大减小了运行时的噪音，而且具有极高的耐热等级，可确保电抗器在高温下亦能安全地无噪音地运行。
（5）进线电抗器芯柱部分紧固件采用无磁性材料，减少运行时的涡流发热现象。
（6）外露部件均采取了防腐蚀处理，引出端子采用镀锡铜管端子。
1.3电抗器的分类
按结构及冷却介质、按接法、按功能、按用途进行分类。
（1）按结构及冷却介质：
分为空心式、铁心式、干式、油浸式等，例如干式空心电抗器、干式铁心电抗器、油浸铁心电抗器、油浸空心电抗器、夹持式干式空心电抗器、绕包式干式空心电抗器、水泥电抗器等。
（2）按接法：
分为并联电抗器和串联电抗器。
（3）按功能：
分为限流和补偿。
（4）按用途：
按具体用途细分，例如限流电抗器、滤波电抗器、平波电抗器、功率因数补偿电抗器、串联电抗器、平衡电抗器、接地电抗器、消弧线圈、进线电抗器、出线电抗器、饱和电抗器、自饱和电抗器、可变电抗器（可调电抗器、可控电抗器）、轭流电抗器、串联谐振电抗器、并联谐振电抗器等。
电抗器作为无功补偿手段，在电力系统中是不可缺少的。
1.4电抗器的作用
电力系统中所采取的电抗器常见的有串联电抗器和并联电抗器，串联电抗器通常起限流作用也有在滤波器中与电容器串联或并联用来限制电网中的高次谐波，并联电抗器经常用于无功补偿。
超高压并联电抗器有改善电力系统无功功率有关运行状况的多种功能，主要包括：
（1）轻空载或轻负荷线路上的电容效应，以降低工频暂态过电压。
（2）改善长输电线路上的电压分布。
（3）使轻负荷时线路中的无功功率尽可能就地平衡，防止无功功率不合理流动同时也减轻了线路上的功率损失。
（4）在大机组与系统并列时降低高压母线上工频稳态电压，便于发电机同期并列。
（5）防止发电机带长线路可能出现的自励磁谐振现象。
（6）当采用电抗器中性点经小电抗接地装置时，还可用小电抗器补偿线路相间及相地电容，以加速潜供电流自动熄灭，便于采用。
1.5电抗器产品名称及功能
（1）进线电抗器：
亦称换相电抗器，用于电网进线中，通过的是交流电流，进线电抗器的作用是限制变流器换相时电网侧的压降和晶闸管的电流上升率di/dt和电压上升率du/dt，以及并联变流器组的解耦。
（2）并联电抗器：
里面通过的交流，并联电抗器的作用是补偿系统的容抗。
通常与晶闸管串联，可连续调节电抗电流。
（3）串联电抗器：
里面通过的是交流，串联电抗器的作用是与补偿电容器串联，对稳态性谐波（5、7、11、13次）构成串联谐振。
通常有5~6%电抗器，属于高感值电抗器。
（4）调谐电抗器：
里面通过的是交流电，串联电抗器的作用是与电容器串联，对规定的n次谐波分量构成串联谐振，从而吸收该谐波分量，通常n=5、7、11、13、19
1.6电抗器的接线方法
ABCXYZ六个端子，你可以将ABC作为电抗器进线端，XYZ作为电抗器出线端；也可以将XYZ作为电抗器进线端，ABC作为电抗器出线端。
这没有什么具体的进线、出线的顺序要求，你怎么接都行，对变频器不会有影响。
只是注意一点：
ABC、XYZ这两套端子，接线时不能互相交叉。
图中上三个端子为ABC下三个端子为XYZ
图2电抗器
2.限流电抗器在电力系统中的作用分析
2.1限流电抗器在35kv以下线路的作用
35／0．4kV系统由于其占建筑面积少，而受到城市中心地区用电大户的欢迎，但该系统对供配电网络而言，一般不提倡使用。
尤其是当地区35kV开关仓离用户站距离较近的情况下，其线路长度小于瞬时电流速断装置能选择性动作的最小允许长度就有可能因为用户站35kV末端发生故障，越级引起上级保护装置动作，从而扩大停电范围；同时由于35／0．4kV系统的低压侧短路电流比35／10／0．4kV系统的要大，对变电所低压配电屏的断路器短路分断能力的要求也相应提高。
笔者1997年在上海城区中心某商业建筑中，在35／0．4kV系统的高压侧串接限流电抗器，起到了较好的作用，该工程35／0．4kV系统主接线如下图所示。
该系统中，系统短路容量S=1500NV·A；电抗器U=35kV、lr=0．1kA、X％=5％；变压器35／0．4kV、S=2500kV·A、U％=6％；高压电缆XLl=XL2=XL3=0.003Q；低压母线XL4=0.03mQ。
2.1.1串接限流电抗器在35kV侧的作用
（1）35kV进户端A点三相短路电流（周期分量有效值）；
（2）35kV进户末端B点三相短路电流当35kV侧未设置串接限流电抗器时；
当35kV侧设置串接限流电抗器时
图3某工程35/0.4kV系统主接线图
（3）小结
对35／0．4kV用户站而言，电抗器前仅有进线总开关及电能计量元件，而电抗器后有高压避雷器、馈线开关、变压器等，理想的保护应是用户进线总开关后的短路故障保护仅动作于用户进线总开关，而不动作于上一级。
在35kV高压侧串接限流电抗器后，由于其明显的限流特性，得限流电抗器后的短路电流值显著降低。
这样，就有条件通过继电保护的灵敏度及整定值的设定，确保在限流电抗器后的短路故障保护仅动作于用户进线总开关。
结论：
限流电抗器在35／0．4kV系统中有利于高压侧的继电分级保护，有利于用户站35kV电气设备的安全运行。
2.1.2串接限流电抗器在0．4kV侧的作用
（1）当35kV侧未设置串接限流电抗器时，0．4kV低压母排C点三相短路电流
式中：
％——变压器阻抗电压百分值；
——变压器额定电压（线电压）（kV）；
——变压器额定容量（kV·A）；
——变压器电抗（Q）；
——0．4kV侧C点短路电流（kA）
（2）当35kV侧设置串接限流电抗器时，0．4kV低压母排C点三相短路电流.
（3）小结
通过对35／0．4kV系统低压侧c点的短路电流的计算，当35kV侧未设置限流电抗器时，c点的短路电流值为58．07kA。
因此变电所低压侧一级断路器应选择分断能力为65kA的短路保护电器。
由于低压侧断路器数量很多，并有断路器第一级与第二级间的分断能力配合问题，所以当35kV侧未设置限流电抗器时，低压侧选用高分断断路器会增加投资。
当35kV侧设置限流电抗器时，c点的短路电流值为44．76kA，因此变电所低压侧第一级断路器可选择分断能力为50kA的短路保护电器，低压侧可选用较低～级分断能力的断路器，虽增加了限流电抗器投资，但可降低数量众多的低压侧短路保护电器的费用。
结论：
限流电抗器在35／0．4kV系统中有利于降低低压侧的短路电流，降低低压保护电器的工程投资，具有经济性。
2.1.3融冰电抗器
（1）用10kV电压融冰，以农网最常用的LGJ一50导线为计算对象，直接融冰时最小长度至少约30km，但主干线路大都在20km以内。
若对长度为4km的线路融冰，需要串联20的电抗器。
经计算，电抗器的串联值见表1
从表的计算结果可以得出，只需与厂家定制，建议与240导线的融冰电流为限，可设定额定电流现目前使用的限流电抗器大都与电容器并联使用，其额定电流较小，额定电抗值也较小且单一，无法满足融冰的需要。
表1串联移动限流电抗器各档位对应融冰长度参考表
序号
线径
20.0Ω
15.0Ω
10.0Ω
7.5Ω
5.0Ω
2.5Ω
0.0Ω
最大长度
最小长度
最大长度
最小长度
最大长度
最小长度
最大长度
最小长度
最大长度
最小长度
最大长度
最小长度
最大长度
最小长度
1
LGJ-50/8
17.2
3.9
24.3
11.0
31.4
18.1
2
LGJ-70/10
9.6
0.0
18.6
5.3
27.6
14.3
32.0
18.7
3
LGJ-95/20
10.5
0.0
21.3
8.8
26.7
14.2
32.1
19.6
37.5
25.0
42.9
30.4
4
LGJ-120/20
5.8
0.0
17.5
5.7
23.4
11.5
29.2
17.4
35.1
23.2
40.9
29.1
5
LGJ-150/25
11.8
1.1
18.2
7.5
24.5
13.9
30.9
20.2
37.2
26.6
6
LGJ-185/30
6.3
0.0
12.1
3.8
17.9
9.5
23.7
15.3
29.5
21.1
7
LGJ-240/40
7.1
0.1
13.0
6.1
18.9
12.0
24.9
17.9
（2）方法
电容（抗）器单元的改造为融冰专用间隔现11OkV及以上变电站电容器单元均配置有电抗器，对于中北部凝冻灾害比较严重的地区，可对电容器单元进行改造。
利用现有场地将电抗器更换为融冰型电抗器，这样可实现融冰设备的常态化管理，从而提高融冰速度和效果，真正做到以防为主。
由于融冰电流可承受的幅度较大，若融冰电抗器长置于电容器单元，可根据设计的结果，取消最临近设计值的一档改为设计额定电抗值，也可以增加一档为设计值，以满足日常运行及融冰的双重需要。
还需对10kV的电容器单元的出线电缆进行改造，以本站10kV的最大导线型号融冰电流匹配，选用相应的电缆型号。
改造费用估算约为40万元/间隔。
（3）优点
限流电抗器在融冰工作中可替代融冰用变压器，优点如下：
1）体积小、重量轻、造价低、安装较方便。
以额定电抗值20Q、额定电流550A的限流电抗器为例，造价不超过20万元，其重量约为4t（而且可分体安装、单支重量只有1t多）、只需普通车辆即可，在冰灾中受道路运输的限制较小，易于运输及安装，能较大范围实现移动融冰。
2）由于电抗器本身的特性，其故障的机率比变压器低，利于长期放置及日常运行维护。
3）融冰范围基本能覆盖现有10kV线路，可调整和融冰的范围大。
4）可根据各条35kV及以下的线路长度，确定串联的电抗值，便于制定融冰一线一策，加快融冰效率和进度。
2.2220kV变电站10kV侧限流电抗器对系统的影响
220kV变电站1OkV侧带负荷运行时，存在系统短路容量大、开关遮断容量不能满足要求、10kV故障几率增加、主变后备保护灵敏度不足、串联限流电抗器与无功补偿电容器形成串联谐振等问题，一直限制着这种运行模式的发展。
目前，为了降低系统短路容量，减少故障几率，220kV变电站10kV侧采用加装限流电抗器，仅带无功补偿设备运行的模式。
由于曾经出现过10kV电容器故障，主变压器后备保护灵敏度不足，导致事故扩大的情况，使得220kV变电站选用10kV侧带负荷运行慎之又慎，在一定程度上限制了一次系统的发展。
）采用这种供电模式。
若能解决220kV变电站10kV侧带负荷运行时的保护配置难题，满足继电保护选择性、速动性、灵敏性、可靠性的要求，保障系统和设备的安全稳定运行，则能大大提高电网运行的经济效益和社会效益。
下面就主变压器10kV侧加装限流电抗器后对系统的影响作简单分析。
2.2.1对10kV出线保护的影响
（1）主变压器参数计算
以220kV变电站主变压器容量为2×180MV·A为例，参数如下：
额定电压230±8×1．25％／121／10．5kV
额定容量18000o／180000／90000kV·A
联结组标号Yn，yno，dl1
额定电流452A／859A／4948．7A
短路阻抗230kV及121kV线圈间14；
230kV及l0．5kV线圈间23；
121kV及10．5kV线圈间7。
短路阻抗约计算
Xt1=[（14+23—7）／23]／180=0．083，
Xt2=[（14+7—23）／23]／180=0．0056，
Xt3=[（23+7—14）／23]／180=0．044。
（2）干式限流电抗器参数计算
满足10．5kV开关开断电流≤25kA要求，电抗器标幺阻抗值Xk=0．15。
若以10kV带负荷配置，型号为XKSCKL一10—5000—14．
即：
，N=5kA，UN=10kV，Xr％=14。
计算得
Xk=（Xr％／100）（IB／IN）（UN／UB）
=（14／10o）（5500／5ooo）（10／10．5）
=0．15.
若以l0kV仅带电容器、站用变负荷配置，型号为XKSCKL一10—2000—6，
即：
，
=2kA，
=10kV，Xr％=6。
计算得:
=（
/100）（
/
）（
）
=（6/100）（5500/2000）（10/10.5）
=0.15。
2.2.2对220KV主变压器后备保护的影响
容量为180MV·A的主变压器，把10kV短路电流限制在25kA以下时，10kV侧加装限流电抗器后，即使主变压器110kV侧分裂运行，主变压器高压侧后备保护的灵敏度仍不能满足要求。
由此看来，220kV主变压器10kV侧带负荷的变电站，10kV母线故障仅能靠主变压器10kV侧开关切除故障，主变压器高、中压侧后备保护满足不了《继电保护整定计算规程》中要求对主变压器低压母线故障有灵敏度的要求。
2.2.3相关结论
加装电抗器后主要造成主变压器高、中压侧后备保护灵敏度不足，不能满足《继电保护整定计算规程》中要求主变压器后备保护对主变压器其它侧母线故障有灵敏度的要求。
且采用这种运行方式的变电站10kV母线故障时仅能由主变压器10kV侧后备保护切除，动作时间长，短路电流大，易造成设备损坏，且无后备保护动作，造成事故扩大。
若参数选择不当，可能造成串联谐振。
2.3500kV限流电抗器对瞬态电压影响及过电压耐受分析
随着电网的逐渐扩大，国内有一些电网出现短路电流水平上升，有些500kV变电站短路电流已接近或超过断路器的开断容量，迫切需要限制电网的短路电流水平。
限制断路电流，除了解决断路器的容量要求以外，直接减轻了断路器的开断负担，有助于减少维修并延长寿命，并能限制流过重要电气设备的短路电流，避免设备损坏；还能减少线路电压损耗和发电机失步的概率，同时也能减少故障时线路附近的电磁污染，降低对弱电系统的影响。
限制断路电流的措施有：
发展高一级电压等级电网；低压电网分片或将母线分列或分段运行，甚至将电网解列；采用高阻抗变压器；更换断路器，选用开断容量更大的产品；采用串联电抗器。
上述方法各有特点，然而或多或少均会带来一些问题，如降低电力系统的安全性和可靠性，以及较高的成本并增加电力损耗等。
相比之下，无论从技术还是经济上比较，串联电抗器是一种比较可行的方法。
国际上，已有巴西、加拿大等国应用了这项技术，取得了良好的效果。
国内的一些工业应用领域，在配网中应用了这项技术，但在超高压电网中还没有应用先例。
最近，华东电网已决定采用电抗器限制短路电流，对电抗器进行了招标。
串联电抗器有不可控和可控两种，不可控电抗器属于传统的电抗器，具有运行方式简单、安全可靠的优点，当然会增加无功和有功损耗，有时会降低系统的稳定性，并需对继电保护方案作出修改。
可控电抗器是采用电力电子技术，实现系统正常运行时对电网的影响很小，而在系统发生短路时又能快速限制短路电流（按工作原理不同，分为串联谐振型和并联谐振型）。
串联电抗器应用于500kV输电系统，可有效地降低系统短路时的电流，减轻对断路器的开断能力要求。
但是，也会带来另一个问题，就是线路上串入电抗器以后，在断路器开断短路电流时，会引起瞬态恢复电压的增加，从而会引起断路器重燃的事故。
本文采用PSCAD／EMTDC程序，结合我国第一个采用电抗器限制短路电流的工程——华东电网500kV泗泾一黄渡线路，计算分析了电抗器引入前后对断路器瞬态恢复电压的影响，并提出改进措施，降低瞬态恢复电压。
2.3.1系统状况
本工程在500kV泗泾一黄渡的双回线路的泗泾站一侧各安装1组500kV串联电抗器。
由于安装串联电抗器之后，瞬态恢复电压水平会发生变化。
以下根据华东电网提供的系统等值，分别在本期（2010年）和远景（2020年）两个水平年下，对两端已有断路器的瞬态恢复电压水平进行计算。
本期（2010年）和远景（2020年）两个水平年的等值电网参考图1
2.3.2瞬态恢复电压计算
根据GB1984-2003中对瞬态恢复电压的定义，瞬态恢复电压（TRV）是指断路器电弧熄灭后，在断路器触头上出现的具有显著瞬变特性的恢复电压，通常由工频分量和瞬态分量叠加而成。
三相系统中的瞬态恢复电压系指首开断相而言。
2.3.3本期瞬态恢复电压计算
单
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