大容量快速开关.doc

中国电力

大容量高速开关装置的应用
Application of High Capacity and High Speed Switchgears
靳　波，邵富平
（河北马头发电有限责任公司，河北　邯郸056044）
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　　摘　要：根据部分电厂高压开关开断容量不足的情况，介绍了其替代产品大容量高速开关装置的原理、特点与实际应用情况，并介绍了各项参数选择的原则。
　　关键词：大容量高速开关；参数选择；应用；遮断容量

　　Abstract：In some power plants, there exist high voltage circuit breakers with insufficient interrupting capacity. This paper introduces the work principle, features and application of high capacity and high speed circuit breaker to replace the undercapacity ones. The parameter selection principle is also introduced.
　　Keywords：high capacity and high speed circuit breaker；parameter selection；application；interrupting capacity 

1问题的提出
　　某厂厂用变高压侧开关为SN410G型，最大开断电流58 kA，一次系统接线方式见图1。

　　随着系统容量的增大，厂变高压母线或套管附近（图中K点）发生三相短路时存在下列问题：
　　a. 厂变高压侧开关遮断容量不足，不能开断短路电流。目前，6 kV真空断路器最大开断电流为80 kA左右，因此，增大开关容量也不能解决现有问题。
　　b. 利用主变或发电机出口断路器切断高压厂变系统的短路电流，因断路器的开断时间长（80～140 ms），会对主变及发电机产生故障冲击，危害主设备安全。因厂用电系统故障将引起主变压器停运，对系统方式影响较大。
2解决方案
　　针对上述问题，国外（如ABB公司、Siemens公司）开发出基于高温超导材料的超导故障限流器（HTSFCL），动作时间仅为几毫秒。但由于价格昂贵，应用量很少。
　　目前，国内开发研制出了采用爆炸式快速开断载流桥体与高压限流熔断器、高吸能氧化锌电阻相组合的新型大容量高速开关装置（FSR），由于该装置具有额定电流大（12 kA）、断流能力强（160 kA）、开断速度快（3 ms内切断故障）等卓越性能，因此已在多家单位实际应用，运行良好。
3FSR工作原理及特点
3.1组成
　　FSR主要由载流桥体FS、高压限流熔断器FU、非线性电阻FR及测控单元组成，如图2所示。
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3.2装置原理
FS与FU阻抗相比为1∶2 000。因此正常运行时工作电流经FS流过。系统发生故障短路时，接到测控单元的分断命令后，FS在0.15 ms之内爆破断开，电流转移至FU。FS断开后全部短路电流转移到FU，使FU在0.5 ms内熔断，并产生足够的弧压。FU断开时产生的弧压使其导通，吸收FU开断后产生的电弧能量及电源注入的能量，使FU顺利熄弧，并把断开时的过电压限制在允许的2.5倍相电压范围内。检测电流和电流变化率，当电流幅值和电流变化率同时超过定值时，判断为短路发生，并采用3个相同的独立工作的测控部件，以“三取二”动作方式做出判断，向FS发出分断信号。
3.3装置特点
　　a. 由于FSR的限流性，设备不再遭受短路电流的冲击，延长了发电机、主变等设备的使用寿命，大大提高了系统设备在动稳定与热稳定方面的安全裕度。
　　b. FSR的快速性，使故障切除的时间大大缩短（小于3 ms），更能有效地保护设备。大量的研究结果表明，只有在20 ms内切除故障，才能避免主变、发电机等设备的损坏，并避免主变、发电机停运。
　　c. FSR限制了开断过电压，使开断过程中产生的过电压限制在设备允许的范围内。
　　d. 对较小的短路电流，由和FSR串联的断路器开断。对较大的短路电流，在FSR动作的同时，断路器也动作，但由于其动作时间长，因此在FSR开断、截流约80 ms后才动作，断路器开断时，线路中已无电流流过，提高了断路器的使用寿命。
　　由于FSR动作快，在短路电流上升的起始阶段就已被截流，可使最大短路冲击电流及与系统热稳定有关的I2 t大大降低，使系统的动稳定和热稳定裕度大大提高。
4FSR参数选择
4.1选择原理
　　FSR的电流波形见图3。

4.2选择原则
　　下面以某厂实际应用为例，说明FSR装置各参数的选择原则。某厂机组一次系统接线图(K点3相短路Ik＝119 kA)和FSR安装位置见图1、图2，其参数的选择应遵照如下原则
4.2.1额定运行电流
　　按照设备安装处系统的额定电流并考虑一定的裕度。
4.2.2动作电流
　　高压厂变开关为SN410G型，其开断电流为58 kA，为保护高压厂变开关，选取FSR动作电流为高压厂变开关开断电流的50%，此为厂家提供的经验值。
4.2.3启动电流
　　a. FSR启动电流应能躲过厂用变压器允许的短时过载电流。
　　b.系统最大运行方式下，高压厂变高压侧短路电流Ik流过FSR时，装置的运算时间t0≥sin-1
　
　　FSR的启动电流应选取上述两者中的较大值。
4.2.4电流变化率
　　FSR的动作电流波形如图3中的曲线4所示，由于动作电流为FSR电流变化率的整定值为此曲线在第1个1/4波形区间电流值的斜率。
4.2.5动作条件
　　FSR的动作取决于启动值ilimit(见图3中的曲线3)、电流变化率di/dt(见图3中的曲线5)，只有在两者同时超过整定值时，FSR才会动作。
4.2.6截流时间和截止电流
　　最大运行方式下流过FSR的三相短路电流：
　
　　可见，由于截流时间短，截流值小，短路电流对10 kV系统中发电机、主变等设备的冲击将大大减小。
4.2.7FU的参数
　　由Ik=119 kA和ip=48.93 kA查得FU的额定电流应取：
　　In =250 A。
4.2.8FR的参数
取FR的1mA电压=24.65 kV，以保证发电机、变压器不受高电压的冲击。
　　截止电流转移到FR后衰减到零的时间是：
　　
5结论
　　a. 采用大容量高速开关装置，解决了系统容量增大引起的常规开关遮断容量不足的问题，同时减小了短路故障时对系统的冲击，节约了投资。
　　b. 大容量高速开关装置改变了传统断路器两工位器件概念，动作时间短，是传统断路器的替代产品，能满足不同工况下的现场运行要求。
高压断路器主要的技术参数是遮断容量和灭弧性能，影响这两参数最直接的原因，是短路电流的切除时间。传统断路器主要解决的措施是增大触头容量、选择灭弧性能优越的介质、对灭弧室结构进行优化等措施。但是遮断容量越大，其制造成本越高。随着系统容量的增大，短路电流值也不断上升，强大的短路电流产生的电动力破坏性更大，通过增大断路器的触头容量已不能解决问题。现需要能在故障瞬时以最快的速度切断短路电流，避免被保护设备及断路器本身受到巨大的热冲击和电动力的破坏。因此，在断路器改造方案上，经过技术经济比较和反复论证，选择大容量高速断路器来替代传统断路器十分必要。

1 问题的提出

　　某公司110kV变电站接入110kV系统电源，同时采用自备电厂的10kV作为备用电源，实现并网运行。其一次系统接线方式如图1。

图1 两电源并网运行系统接线图 
　　随着系统容量的增大，变电站负荷侧发生三相短路时存在下列问题。

　　发电机出口断路器遮断容量不足，不能开断短路电流。

　　利用主变压器或发电机出口断路器切断短路电流，断路器的开断时间过长，达80～140ms，会对主变压器及发电机产生故障冲击，发电机故障将引起主变压器停运，危害主设备安全。对系统方式影响较大。

2 解决方法

　　针对现用断路器存在问题，为了使负荷侧断路器的开断电流减小，并降低工程造价，采用了一种新型大容量高速断路器装置（简称FSR装置）与电抗器并联的接线方式。正常运行时，FSR将电抗器短接，避免了电抗器巨大的电能损耗，并抑制了大型电动机启动时的电压降；短路时，FSR快速断开，负荷侧断路器的开断电流经电抗器限流到允许范围。

3 大容量高速断路器的组成及功能

　　FSR装置主要由断路器DL、爆炸式快速开断载流桥体FS、高压限流熔断器FU、非线性电阻FR及测控装置组成。

3.1 载流桥体FS

图2 FSR装置组成示意图 请登陆:输配电设备网 浏览更多信息
　　因FS的电阻与熔断器FU电阻的比值为1∶2000，故正常时工作电流经FS流过，故障时，接到测控单元的命令后，在0.15ms之内爆炸断开，电流转移至熔断器FU。

3.2 熔断器FU

　　FS断开后，全部短路电流转移至熔断器FU，在0.5ms内FU熔断，并产生足够的弧压。

3.3 非线性电阻FR

　　FU熔断时产生的弧压使其导通，吸收电感中存在的磁能及电源注入的能量，使FU顺利熄弧，同时把开断时的过电压限制在2.5倍的额定相电压之内。

3.4 测控单元

　　测控单元的测控数据为检测电流i和电流的变化率di/dt，当电流幅值和电流变化率同时超过整定值时，判断为短路发生，采用三个相同独立工作的CPU部件，以“三取二”表决方式判断，向FS发出分段命令。

4 FSR装置的工作原理

　　在正常运行和正常操作时，负荷电流流过真空断路器后，再流过爆炸式载流桥体与熔断器，其中98%以上的负荷电流流过爆炸式载流桥体，2%的负荷电流流过熔断器。

　　当设备发生故障时，主电路中的电流幅值和电流变化率超过整定值，测控单元判断有短路电流，向桥体中发送电脉冲引爆爆炸装置，载流桥体断开，将全部电流加在高压限流熔断器上，高压限流熔断器在2ms内熔断，产生的弧压由高能氧化锌非线性电阻限制并吸收。在大容量高速断路器装置完成了短路断开功能后，与熔断器配合的负荷开关，只要求能够开断额定电流和一般过载电流，对关合短路电流及承载短路电流的动稳定性和热稳定性则无要求。 

5 FSR装置的特点

　　限流性　由于FSR的限流性，短路电流在初始上升阶段即加以限制，不可能达到短路冲击电流的峰值，设备不再遭受短路电流的冲击，延长了发电机、变压器等设备的使用寿命，大大提高了设备动稳定和热稳定方面的安全裕度。

　　快速性　故障电流在1ms内被截流，3ms之内衰减到0，故障被完全切除，更能有效地保护设备。而一般断路器至少要60ms才能切除故障。

　　灵敏度高　由于FSR装置增加了电流变化率作为启动判据，故障时电流变化率增加更明显，使灵敏度更高

　　容量大　配置大容量的非线性电阻，吸收开断过程中磁能，开断容量可不受限制。

6 FSR装置的运行要求

　　当发生三相短路故障时，电抗器应可靠投入，从而要求FSR装置在短路电流上升的初始阶段应可靠断开，故FSR动作值应取90%的三相短路电流值。

　　正常运行时，FSR启动电流应能躲过负载允许的短时过载电流。取1.3倍的可靠系数。

7 FSR装置的应用

7.1 应用于发电机出口

　　应用于发电机出口见图3。发电机出口端或其附近发生短路故障时，短路电流的幅值大，从短路开始到电流第一次过零，经历的时间长，大约需要20～150ms。这会给发电机造成很大的危害，同时对保护设备有更高的要求。用FSR保护发电机出口端短路故障，具有很好的保护作用，因为在短路电流最大值未通过发电机时，FSR将故障电源直接切除；也可以采用FSR与限流电抗器并联的方式，正常运行时FSR将电抗器短接；故障时FSR快速断开故障电流流过限流电抗器，电抗器将故障电流限制在允许范围以内，仍能保证系统正常运行。 

图3 FSR用于发电机出口 来源:
　　FSR也可以应用在厂用变压器分支、励磁变压器分支，见图4。有效避免变压器因穿越性故障而损坏的事故。

图4 FSR用于厂用变压器分支 请登陆:输配电设备网 浏览更多信息
7.2 应用于系统扩建或联网运行时

　　在系统扩建时，FSR用于电源联络见图5。原有断路器设备不必更换。可提高系统供电可靠性，减少重负载启动时的压降。实现经济运行。

图5 FSR用于电源联络

　　FSR应用于母联位置，见图6。当系统一旦发生短路故障，由于负荷侧断路器只按单台变压器提供的短路电流进行配置，FSR可以快速限流，将系统解列。 来源:输配电设备网

图6 FSR用于母线联络

7.3 FSR与电抗器并联

　　FSR与电抗器并联见图7。在正常运行时FSR将电抗器短接，避免了电抗器巨大的电能损耗和大型电动机启动时的电压降。短路时FSR快速断开，负荷侧断路器的开断电流受电抗器限制到允许范围。 来源:

图7 FSR与电抗器并联

　　在供用电系统设计时，可加大电抗器阻抗，使负荷侧断路器的开断电流进一步减小，降低造价。

7.4 FSR用于重要负荷

　　FSR用于重要负荷见图8。若线路中带有重要用户，不允许瞬时断电，或须强行自启动的重要负荷，线路短路时，FSR快速断开，将电抗器投入，电抗器上的残压，可设计得足以维持重要负荷连续运行，而不受影响。

图8 FSR用于重要负荷的线路

　　FSR组成的器件，决定了FSR的特性，FSR装置与传统介质灭弧原理的断路器相比较，动作时间快、可靠性高、不存在机械拒动。应用FSR可以使发电机、变压器及高压断路器不再受短路电流峰值的冲击，延长了设备使用寿命。并且降低了系统投资，通过经济技术比较，具有很大的优势。

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