大容量高速開(kāi)關(guān)裝置的應(yīng)用

高壓斷路器主要的技術(shù)參數(shù)是遮斷容量和滅弧性能，影響這兩參數(shù)最直接的原因，是短路電流的切除時(shí)間。傳統(tǒng)斷路器主要解決的措施是增大觸頭容量、選擇滅弧性能優(yōu)越的介質(zhì)、對(duì)滅弧室結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化等措施。但是遮斷容量越大，其制造成本越高。隨著系統(tǒng)容量的增大，短路電流值也不斷上升，強(qiáng)大的短路電流產(chǎn)生的電動(dòng)力破壞性更大，通過(guò)增大斷路器的觸頭容量已不能解決問(wèn)題。現(xiàn)需要能在故障瞬時(shí)以最快的速度切斷短路電流，避免被保護(hù)設(shè)備及斷路器本身受到巨大的熱沖擊和電動(dòng)力的破壞。因此，在斷路器改造方案上，經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較和反復(fù)論證，選擇大容量高速斷路器來(lái)替代傳統(tǒng)斷路器十分必要。

1 問(wèn)題的提出

　　某公司110kV變電站接入110kV系統(tǒng)電源，同時(shí)采用自備電廠的10kV作為備用電源，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。其一次系統(tǒng)接線方式如圖1。 請(qǐng)登陸:輸配電設(shè)備網(wǎng) 瀏覽更多信息

　　隨著系統(tǒng)容量的增大，變電站負(fù)荷側(cè)發(fā)生三相短路時(shí)存在下列問(wèn)題。

　　發(fā)電機(jī)出口斷路器遮斷容量不足，不能開(kāi)斷短路電流。

　　利用主變壓器或發(fā)電機(jī)出口斷路器切斷短路電流，斷路器的開(kāi)斷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，達(dá)80～140ms，會(huì)對(duì)主變壓器及發(fā)電機(jī)產(chǎn)生故障沖擊，發(fā)電機(jī)故障將引起主變壓器停運(yùn)，危害主設(shè)備安全。對(duì)系統(tǒng)方式影響較大。

2 解決方法

　　針對(duì)現(xiàn)用斷路器存在問(wèn)題，為了使負(fù)荷側(cè)斷路器的開(kāi)斷電流減小，并降低工程造價(jià)，采用了一種新型大容量高速斷路器裝置（簡(jiǎn)稱(chēng)FSR裝置）與電抗器并聯(lián)的接線方式。正常運(yùn)行時(shí)，F(xiàn)SR將電抗器短接，避免了電抗器巨大的電能損耗，并抑制了大型電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電壓降；短路時(shí)，F(xiàn)SR快速斷開(kāi)，負(fù)荷側(cè)斷路器的開(kāi)斷電流經(jīng)電抗器限流到允許范圍。

3 大容量高速斷路器的組成及功能

　　FSR裝置主要由斷路器DL、爆炸式快速開(kāi)斷載流橋體FS、高壓限流熔斷器FU、非線性電阻FR及測(cè)控裝置組成。

3.1 載流橋體FS

　　因FS的電阻與熔斷器FU電阻的比值為1∶2000，故正常時(shí)工作電流經(jīng)FS流過(guò)，故障時(shí)，接到測(cè)控單元的命令后，在0.15ms之內(nèi)爆炸斷開(kāi)，電流轉(zhuǎn)移至熔斷器FU。

3.2 熔斷器FU

　　FS斷開(kāi)后，全部短路電流轉(zhuǎn)移至熔斷器FU，在0.5ms內(nèi)FU熔斷，并產(chǎn)生足夠的弧壓。

3.3 非線性電阻FR

　　FU熔斷時(shí)產(chǎn)生的弧壓使其導(dǎo)通，吸收電感中存在的磁能及電源注入的能量，使FU順利熄弧，同時(shí)把開(kāi)斷時(shí)的過(guò)電壓限制在2.5倍的額定相電壓之內(nèi)。

3.4 測(cè)控單元

　　測(cè)控單元的測(cè)控?cái)?shù)據(jù)為檢測(cè)電流i和電流的變化率di/dt，當(dāng)電流幅值和電流變化率同時(shí)超過(guò)整定值時(shí)，判斷為短路發(fā)生，采用三個(gè)相同獨(dú)立工作的CPU部件，以“三取二”表決方式判斷，向FS發(fā)出分段命令。

4 FSR裝置的工作原理

　　在正常運(yùn)行和正常操作時(shí)，負(fù)荷電流流過(guò)真空斷路器后，再流過(guò)爆炸式載流橋體與熔斷器，其中98%以上的負(fù)荷電流流過(guò)爆炸式載流橋體，2%的負(fù)荷電流流過(guò)熔斷器。
　
　　當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，主電路中的電流幅值和電流變化率超過(guò)整定值，測(cè)控單元判斷有短路電流，向橋體中發(fā)送電脈沖引爆爆炸裝置，載流橋體斷開(kāi)，將全部電流加在高壓限流熔斷器上，高壓限流熔斷器在2ms內(nèi)熔斷，產(chǎn)生的弧壓由高能氧化鋅非線性電阻限制并吸收。在大容量高速斷路器裝置完成了短路斷開(kāi)功能后，與熔斷器配合的負(fù)荷開(kāi)關(guān)，只要求能夠開(kāi)斷額定電流和一般過(guò)載電流，對(duì)關(guān)合短路電流及承載短路電流的動(dòng)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性則無(wú)要求。

5 FSR裝置的特點(diǎn)

　　限流性　由于FSR的限流性，短路電流在初始上升階段即加以限制，不可能達(dá)到短路沖擊電流的峰值，設(shè)備不再遭受短路電流的沖擊，延長(zhǎng)了發(fā)電機(jī)、變壓器等設(shè)備的使用壽命，大大提高了設(shè)備動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定方面的安全裕度。

　　快速性　故障電流在1ms內(nèi)被截流，3ms之內(nèi)衰減到0，故障被完全切除，更能有效地保護(hù)設(shè)備。而一般斷路器至少要60ms才能切除故障。

　　靈敏度高　由于FSR裝置增加了電流變化率作為啟動(dòng)判據(jù)，故障時(shí)電流變化率增加更明顯，使靈敏度更高
　　
　　容量大　配置大容量的非線性電阻，吸收開(kāi)斷過(guò)程中磁能，開(kāi)斷容量可不受限制。

6 FSR裝置的運(yùn)行要求

　　當(dāng)發(fā)生三相短路故障時(shí)，電抗器應(yīng)可靠投入，從而要求FSR裝置在短路電流上升的初始階段應(yīng)可靠斷開(kāi)，故FSR動(dòng)作值應(yīng)取90%的三相短路電流值。

　　正常運(yùn)行時(shí)，F(xiàn)SR啟動(dòng)電流應(yīng)能躲過(guò)負(fù)載允許的短時(shí)過(guò)載電流。取1.3倍的可靠系數(shù)。

7 FSR裝置的應(yīng)用

7.1 應(yīng)用于發(fā)電機(jī)出口

　　應(yīng)用于發(fā)電機(jī)出口見(jiàn)圖3。發(fā)電機(jī)出口端或其附近發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流的幅值大，從短路開(kāi)始到電流第一次過(guò)零，經(jīng)歷的時(shí)間長(zhǎng)，大約需要20～150ms。這會(huì)給發(fā)電機(jī)造成很大的危害，同時(shí)對(duì)保護(hù)設(shè)備有更高的要求。用FSR保護(hù)發(fā)電機(jī)出口端短路故障，具有很好的保護(hù)作用，因?yàn)樵诙搪冯娏髯畲笾滴赐ㄟ^(guò)發(fā)電機(jī)時(shí)，F(xiàn)SR將故障電源直接切除；也可以采用FSR與限流電抗器并聯(lián)的方式，正常運(yùn)行時(shí)FSR將電抗器短接；故障時(shí)FSR快速斷開(kāi)，故障電流流過(guò)限流電抗器，電抗器將故障電流限制在允許范圍以?xún)?nèi)，仍能保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

　　FSR也可以應(yīng)用在廠用變壓器分支、勵(lì)磁變壓器分支，見(jiàn)圖4。有效避免變壓器因穿越性故障而損壞的事故。

圖4 FSR用于廠用變壓器分支

7.2 應(yīng)用于系統(tǒng)擴(kuò)建或聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)

　　在系統(tǒng)擴(kuò)建時(shí)，F(xiàn)SR用于電源聯(lián)絡(luò)見(jiàn)圖5。原有斷路器設(shè)備不必更換。可提高系統(tǒng)供電可靠性，減少重負(fù)載啟動(dòng)時(shí)的壓降。實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

　　FSR應(yīng)用于母聯(lián)位置，見(jiàn)圖6。當(dāng)系統(tǒng)一旦發(fā)生短路故障，由于負(fù)荷側(cè)斷路器只按單臺(tái)變壓器提供的短路電流進(jìn)行配置，F(xiàn)SR可以快速限流，將系統(tǒng)解列。

7.3 FSR與電抗器并聯(lián)

　　FSR與電抗器并聯(lián)見(jiàn)圖7。在正常運(yùn)行時(shí)FSR將電抗器短接，避免了電抗器巨大的電能損耗和大型電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電壓降。短路時(shí)FSR快速斷開(kāi)，負(fù)荷側(cè)斷路器的開(kāi)斷電流受電抗器限制到允許范圍。

　　在供用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可加大電抗器阻抗，使負(fù)荷側(cè)斷路器的開(kāi)斷電流進(jìn)一步減小，降低造價(jià)。

7.4 FSR用于重要負(fù)荷

　　FSR用于重要負(fù)荷見(jiàn)圖8。若線路中帶有重要用戶(hù)，不允許瞬時(shí)斷電，或須強(qiáng)行自啟動(dòng)的重要負(fù)荷，線路短路時(shí)，F(xiàn)SR快速斷開(kāi)，將電抗器投入，電抗器上的殘壓，可設(shè)計(jì)得足以維持重要負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行，而不受影響。

　　FSR組成的器件，決定了FSR的特性，F(xiàn)SR裝置與傳統(tǒng)介質(zhì)滅弧原理的斷路器相比較，動(dòng)作時(shí)間快、可靠性高、不存在機(jī)械拒動(dòng)。應(yīng)用FSR可以使發(fā)電機(jī)、變壓器及高壓斷路器不再受短路電流峰值的沖擊，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命。并且降低了系統(tǒng)投資，通過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，具有很大的優(yōu)勢(shì)。