大容量快速开关

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 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 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。 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 3 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 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 4 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： 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 5 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 80140ms，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， 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 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 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。 8 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 20150ms。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。 中国电力 9 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