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1、中国电力 http:/1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） 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 int
2、errupting 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；app
3、lication；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，因断路器中国电力 http:/2的开断时间长（80140 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
4、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
5、2所示。 3.2装置原理FS与 FU阻抗相比为 12 000。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
6、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。中国电力 http:/3c. 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 F
7、SR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 Ik119 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
8、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 t0sin -1中国电力 http:/4FSR 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 ilim
9、it(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：I n =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
10、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。中国电力 http:/5b. 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
11、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80140ms，会对主变压器及发 电机产生故障冲
12、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，中国电力 http:/6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
13、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 12000，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
14、 i 和电流的变化率 di/dt，当电流幅值和电流变化率同中国电力 http:/7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
15、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。中国电力 http:/87 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
