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

　　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

　　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。

　　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。

　　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。

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。

　　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。

　　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。