大容量高速开关装置及其应用

1、大容量高速开关装置及其应用1概述开关又称断路器，是电力系统中最重要的电力设备之一。它在电 网中的基本任务是：第一，根据电网运行的需要，将一部分线路或电 力设备投入或退出运行，以此对电网的运行方式进行控制，在这种情 况下，开关的触头承载的是负荷电流；第二，当线路或电力设备发生 故障时，开关可将故障部分从电网中快速切除，以保证无故障部分正 常运行，保护电网的安全，此时，开关的触头承载的是故障电流或短 路电流。短路电流的最大峰值往往出现在第一个周波内，而且非周期分量 很大，通常几个周波内不过零。同时，断路器的动作时间相对于故障 发生的时刻有一定的滞后，再加上继电保护所形成的时间差，在开断 时间内短路

2、电流的峰值已经数次冲击发电机、断路器和变压器等被保 护设备，经过几次重大事故，就有可能造成设备的损坏，进而增加运 行维护和检修的成本。另外，断路器正常工作时的额定电流与发生短 路故障时的短路电流相差过大，尤其是现代电力系统容量的不断增 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，断路器必须按照开断短路电流进行选择，设备、线路及断路器本 身就要求设计有足够的热稳定、动稳定裕度，设备的投资就会加大， 造价过高。因此，随着电力系统的不断发展，越来越需要断路器能够 在故障瞬时就发现并以最快的速度切断短路电流，避免被保护设备及 开关本身受到巨大的热冲击和电动力作用。2 大容量高速开

3、关装置的构成与原理21 大容量高速开关装置的构成大容量高速开关装置由桥体FS高压限流熔断器FU非线性电阻FR及测控单元组成，简称FSR211桥体 桥体与高压限流熔断器、非线性电阻并联运行。桥体内包含爆炸 装置和载流导体，桥体的设计电阻为高压限流熔断器的几十分之一， 因此正常时从桥体中流过的电流为从高压限流熔断器中流过的电流的 几十倍，而工作电流基本为两者之和，在不增加高压限流熔断器额定 电流的情况下，整个装置的额定电流得到了提高。短路时，测控单元 发出的脉冲信号点燃爆炸装置，在 0.15ms0.2ms 后载流导体从中部断 开，在爆炸冲击力的作用下，分开的载流导体向六个方向卷曲，形成 隔离断口，

4、将电流转移至高压限流熔断器。212 高压限流熔断器 高压限流熔断器具有限流性和快速性。由于故障电流的最大峰值 往往出现在第一半波，当桥体断开后全部短路电流转移到高压限流熔 断器，熔断器在第一个大半波内短路电流还未来得及升起就完成汽 化、击穿、间隙产生电弧和熄灭电弧，限制并强制性地切断短路电流(tv 2ms，使电流达不到预期的短路电流峰值。如图 3所示，当短 路电流上升到 Ip 时，熔断器熔断并截流，截止电流 Ip 仅为预期电流 峰值的 15%左右，将故障电流对发、变电设备的电动力和热效应冲击大 幅度减轻。高压限流熔断器产生的弧压可以通过非线性电阻加以限 制，通过与桥体在阻值上的配合，解决高压限

5、流熔断器容量不足的问 题，提高整个装置的应用范围。213 非线性电阻高能氧化锌非线性电阻具有非线性伏安特性，同时能够抑制瞬时 过电压，当其端电压低于某一值时，其中的电流几乎为零；超过这一 值时，其电流将随着端电压 U 的增大而急剧增加。其非线性特性见图 4 所示。在高压限流熔断器熔断时产生的弧压，使氧化锌非线性电阻导 通吸收电感中储存的磁能及电源注入的能量，氧化锌非线性电阻导 通，使高压限流熔断器顺利熄弧。同时氧化锌电阻良好的非线性特 性，可以把开断时的过电压限制在 2.5 倍额定相电压之内，使电器设 备不再受到大电流的冲击。214 测控单元 测控单元是一个电子逻辑控制器，随时检测系统电流瞬时

6、值 i 和 电流变化率 di/dt ，一旦有短路故障发生，当 i 和 di/dt 大于整定值 时，电子逻辑控制器会向桥体中的爆炸装置发出脉冲点火信号。检测 电流变化率的功能由一空心电流互感器实现，避免了带铁芯电流互感 器因为磁饱和而引起波形失真，同时又可将测量控制线路与主电路隔 离。22 大容量高速开关装置的原理 当设备发生故障时，主电路中的电流幅值 i 和电流变化率 di/dt 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，载流导体断开，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。在大容量高速开关装置完

7、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受短路电流的动稳定性和热稳定性方面则无要求。 3 大容量高速开 关装置的特点大容量高速开关装置与传统的断路器开断方式相比，具有以下显 著特点：(1) 速动性提高20倍以上。短路电流在1ms以内被截流，3ms 之内衰减到零，故障被完全切除，而传统的断路器保护方式最快也要 75ms。(2) 短路电流在初始上升阶段即加以限制，永远达不到短路冲击 电流的峰值，设备的动稳定和热稳定的裕度不必设计得过大，可节省 大量资金。(3) 解决了电网扩建带来的短路电流增加的难题。( 4)优化了配电设备联网过程的解决方

8、案。 (5)降低了配电设备的费用。电力设备可免受强大的短路电流的 冲击，机械强度不必做得很大。开断快、截流小，电力设备无须考虑 热稳定问题，导体尺寸不必很大。3 大容量高速开关装置的应用 上述提到的特点必须通过实际的应用才能得以体现。下面探讨大 容量高速开关装置的几种实际应用。3. 1FSF应用在发电机出口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，同时对其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，熔断器已切除了故障。F

9、SF也可以应用在厂用变分支、励磁变分支，有效避免变压器因穿越性故障而损坏的事故，延长设备的使用寿命，提高系统设备在动 稳定方面的安全裕度。3. 2FSF与电抗器并联在正常运行时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。在新供用电系统设计时，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。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继续运行而不受影响。3. 3FSR应用于母联在电网连接点上装设限流熔断器将电网实现闭环运行，正常情况 下可以大大提高供电可靠性，而一旦发生短路故障，可以由限流熔断 器快速地限流并切断电网间的连接实行开环运行，联网前各分支电网 已经装设的短路保护设备可以不作任何增容改造，实现最经济的电网 互连。3. 4FSR应用于线路FSR应用于供电线路中，若线路中带有敏感用户，可防止线路短 路电压降而引起敏感用户失控，一条线路短路后，该路的大容量高速 开关装置断开，其他线路继续供电。4 结论由于FS