技術頻道

      大容量高速開關裝置的應用

      高壓斷路器主要的技術參數是遮斷容量和滅弧性能,影響這兩參數最直接的原因,是短路電流的切除時間。傳統斷路器主要解決的措施是增大觸頭容量、選擇滅弧性能優越的介質、對滅弧室結構進行優化等措施。但是遮斷容量越大,其制造成本越高。隨著系統容量的增大,短路電流值也不斷上升,強大的短路電流產生的電動力破壞性更大,通過增大斷路器的觸頭容量已不能解決問題。現需要能在故障瞬時以最快的速度切斷短路電流,避免被保護設備及斷路器本身受到巨大的熱沖擊和電動力的破壞。因此,在斷路器改造方案上,經過技術經濟比較和反復論證,選擇大容量高速斷路器來替代傳統斷路器十分必要。

      1 問題的提出

        某公司110kV變電站接入110kV系統電源,同時采用自備電廠的10kV作為備用電源,實現并網運行。其一次系統接線方式如圖1。 請登陸:輸配電設備網 瀏覽更多信息


      圖1 兩電源并網運行系統接線圖

        隨著系統容量的增大,變電站負荷側發生三相短路時存在下列問題。

        發電機出口斷路器遮斷容量不足,不能開斷短路電流。

        利用主變壓器或發電機出口斷路器切斷短路電流,斷路器的開斷時間過長,達80~140ms,會對主變壓器及發電機產生故障沖擊,發電機故障將引起主變壓器停運,危害主設備安全。對系統方式影響較大。

      2 解決方法

        針對現用斷路器存在問題,為了使負荷側斷路器的開斷電流減小,并降低工程造價,采用了一種新型大容量高速斷路器裝置(簡稱FSR裝置)與電抗器并聯的接線方式。正常運行時,FSR將電抗器短接,避免了電抗器巨大的電能損耗,并抑制了大型電動機啟動時的電壓降;短路時,FSR快速斷開,負荷側斷路器的開斷電流經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、爆炸式快速開斷載流橋體FS、高壓限流熔斷器FU、非線性電阻FR及測控裝置組成。

      3.1 載流橋體FS


      圖2 FSR裝置組成示意圖

        因FS的電阻與熔斷器FU電阻的比值為1∶2000,故正常時工作電流經FS流過,故障時,接到測控單元的命令后,在0.15ms之內爆炸斷開,電流轉移至熔斷器FU。

      3.2 熔斷器FU

        FS斷開后,全部短路電流轉移至熔斷器FU,在0.5ms內FU熔斷,并產生足夠的弧壓。

      3.3 非線性電阻FR

        FU熔斷時產生的弧壓使其導通,吸收電感中存在的磁能及電源注入的能量,使FU順利熄弧,同時把開斷時的過電壓限制在2.5倍的額定相電壓之內。

      3.4 測控單元

        測控單元的測控數據為檢測電流i和電流的變化率di/dt,當電流幅值和電流變化率同時超過整定值時,判斷為短路發生,采用三個相同獨立工作的CPU部件,以“三取二”表決方式判斷,向FS發出分段命令。

      4 FSR裝置的工作原理

        在正常運行和正常操作時,負荷電流流過真空斷路器后,再流過爆炸式載流橋體與熔斷器,其中98%以上的負荷電流流過爆炸式載流橋體,2%的負荷電流流過熔斷器。
       
        當設備發生故障時,主電路中的電流幅值和電流變化率超過整定值,測控單元判斷有短路電流,向橋體中發送電脈沖引爆爆炸裝置,載流橋體斷開,將全部電流加在高壓限流熔斷器上,高壓限流熔斷器在2ms內熔斷,產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功能后,與熔斷器配合的負荷開關,只要求能夠開斷額定電流和一般過載電流,對關合短路電流及承載短路電流的動穩定性和熱穩定性則無要求。

      5 FSR裝置的特點

        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,不可能達到短路沖擊電流的峰值,設備不再遭受短路電流的沖擊,延長了發電機、變壓器等設備的使用壽命,大大提高了設備動穩定和熱穩定方面的安全裕度。

        快速性 故障電流在1ms內被截流,3ms之內衰減到0,故障被完全切除,更能有效地保護設備。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判據,故障時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,吸收開斷過程中磁能,開斷容量可不受限制。

      6 FSR裝置的運行要求

        當發生三相短路故障時,電抗器應可靠投入,從而要求FSR裝置在短路電流上升的初始階段應可靠斷開,故FSR動作值應取90%的三相短路電流值。

        正常運行時,FSR啟動電流應能躲過負載允許的短時過載電流。取1.3倍的可靠系數。

      7 FSR裝置的應用

      7.1 應用于發電機出口

        應用于發電機出口見圖3。發電機出口端或其附近發生短路故障時,短路電流的幅值大,從短路開始到電流第一次過零,經歷的時間長,大約需要20~150ms。這會給發電機造成很大的危害,同時對保護設備有更高的要求。用FSR保護發電機出口端短路故障,具有很好的保護作用,因為在短路電流最大值未通過發電機時,FSR將故障電源直接切除;也可以采用FSR與限流電抗器并聯的方式,正常運行時FSR將電抗器短接;故障時FSR快速斷開,故障電流流過限流電抗器,電抗器將故障電流限制在允許范圍以內,仍能保證系統正常運行。


      圖3 FSR用于發電機出口

        FSR也可以應用在廠用變壓器分支、勵磁變壓器分支,見圖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 應用于系統擴建或聯網運行時

        在系統擴建時,FSR用于電源聯絡見圖5。原有斷路器設備不必更換。可提高系統供電可靠性,減少重負載啟動時的壓降。實現經濟運行。


      圖5 FSR用于電源聯絡

        FSR應用于母聯位置,見圖6。當系統一旦發生短路故障,由于負荷側斷路器只按單臺變壓器提供的短路電流進行配置,FSR可以快速限流,將系統解列。


      圖6 FSR用于母線聯絡

      7.3 FSR與電抗器并聯

        FSR與電抗器并聯見圖7。在正常運行時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機啟動時的電壓降。短路時FSR快速斷開,負荷側斷路器的開斷電流受電抗器限制到允許范圍。


      圖7 FSR與電抗器并聯

        在供用電系統設計時,可加大電抗器阻抗,使負荷側斷路器的開斷電流進一步減小,降低造價。

      7.4 FSR用于重要負荷

        FSR用于重要負荷見圖8。若線路中帶有重要用戶,不允許瞬時斷電,或須強行自啟動的重要負荷,線路短路時,FSR快速斷開,將電抗器投入,電抗器上的殘壓,可設計得足以維持重要負荷連續運行,而不受影響。


      圖8 FSR用于重要負荷的線路

        FSR組成的器件,決定了FSR的特性,FSR裝置與傳統介質滅弧原理的斷路器相比較,動作時間快、可靠性高、不存在機械拒動。應用FSR可以使發電機、變壓器及高壓斷路器不再受短路電流峰值的沖擊,延長了設備使用壽命。并且降低了系統投資,通過經濟技術比較,具有很大的優勢。

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