cli限流保護器在中壓配電系統(tǒng)中的應(yīng)用初探

CLiP限流保護器在中壓配電系統(tǒng)中的應(yīng)用初探摘要：CLiP限流保護器融合了傳統(tǒng)限流熔斷器的所有優(yōu)點，是一種一次分斷、快速動作的中壓故障保護裝置。在中壓系統(tǒng)中CLiP對有效限制短路電流、減少電能損耗、提高供電質(zhì)量等，具有良好的作用。文章扼要論述了CLiP限流保護器（簡稱CLiP）的工作原理和應(yīng)用實例以及電抗器能耗費用的計算方法。

關(guān)鍵詞：中壓系統(tǒng)；CLiP限流保護器；動作原理；應(yīng)用實例

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，人民生活水平的提高，中壓配電網(wǎng)的規(guī)模和容量也漸漸增大。配電網(wǎng)絡(luò)不斷擴展，變電站不斷增容，以及備用發(fā)電機的使用，均會導(dǎo)致配電系統(tǒng)故障電流的增大。如果擴大配電網(wǎng)絡(luò)容量的同時，對故障電流不進行有效的控制，這些系統(tǒng)中原有設(shè)備開斷和耐受短路電流的能力，有可能不能滿足要求。通常，對原有配電系統(tǒng)可以采取的限制短路電流的措施有：①在配電網(wǎng)絡(luò)的適當部位加裝限流電抗器，以將下游回路的短路電流，限制到原有設(shè)備的短路額定值以內(nèi)。②變電站內(nèi)變壓器分裂運行，即將母線聯(lián)絡(luò)斷路器經(jīng)常打開運行。③按配電網(wǎng)絡(luò)擴展要求，更換原有設(shè)備。④增加配電電源點。這樣，勢必要重新劃分供電范圍，會涉及到原有系統(tǒng)的改造。

仔細分析上述措施可知，這些措施均存在某些弊端。除了上述限制短路電流的措施以外，是否有簡單易行，既不要花費很多的改造費用，又不要對原有系統(tǒng)大動干戈，也不會帶來很多電能損耗費用的辦法。CLiP限流保護器（簡稱CLiP）就是基于這個理念，由美國電力科學(xué)研究院（EPRI）研發(fā)和提出的一項科研成果，它融合了傳統(tǒng)限流熔斷器的所有優(yōu)點，是一種一次分斷、快速動作的中壓故障保護裝置。在38kV及以下的系統(tǒng)中，CLiP額定電流可高達5000A，短路開斷能力達120kA；15.5kV限流保護器的對稱開斷電流可高達311kA（rms）。顯然，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)保護裝置。來源:

美國G&W電氣公司生產(chǎn)的CLiP限流保護器，屬于轉(zhuǎn)換型限流保護裝置（TCL），是由裝于主導(dǎo)電回路上的高速切斷裝置和并聯(lián)限流熔斷器(PAF)組合而成的。本文扼要論述了CLiP的工作原理和典型應(yīng)用實例。

1工作原理及基本參數(shù)

1.1工作原理

在討論CLiP的具體應(yīng)用前，需要簡單說明CLiP的工作原理。從原理上說，轉(zhuǎn)換型限流保護裝置TCL屬于具有持續(xù)載流能力的高速切換開關(guān)。

CLiP主要由裝于主導(dǎo)電回路上的高速切斷裝置（開關(guān)）和并聯(lián)限流熔斷器組合而成，如圖1所示。正常工作時，電流流經(jīng)分段的銅母線排，而并聯(lián)限流熔斷器回路的電阻較大，僅分流約0.1%的電流。當電子點火邏輯裝置檢測到滿足跳閘準則的短路故障信息時，啟動一直線型的切斷裝置，將銅母線排切成數(shù)段，每一段銅母線向上翻起，形成斷口，斷口間將產(chǎn)生電唬此時，銅母線各斷口電弧電壓之和會加到熔斷器的兩端，迫使故障電流進入并聯(lián)限流熔斷器。當對稱故障時，熔斷器于短路電流的前1/4個周期內(nèi)高速熔斷；非對稱故障時，熔斷器于短路電流的前1/2個周期內(nèi)高速熔斷。保證故障電流在第一個峰值來臨前被安全地切斷，從而使保護設(shè)備不會遭受任何危害。

圖1CLiP結(jié)構(gòu)示意圖

并聯(lián)限流熔斷器具有很高的能量吸收能力，但使其熔化的I2t值比較低。該熔斷器實際的限流點比滅弧時間早。與大多數(shù)重合器、切換開關(guān)、斷路器和排氣式熔斷器的分斷情況不同，該限流式熔斷器不是電流過零滅弧的。

1.2保護選擇性配合

CLiP屬于一次分斷裝置，也就是說，動作后如同熔斷器一樣必須更換。從保護選擇性配合的觀點看，CLiP是一種自毀性的保護裝置。因此，當故障電流處于其他保護裝置（斷路器）開斷能力范圍以內(nèi)時，應(yīng)由其他保護裝置按其標準配合曲線設(shè)定的整定值動作，切除故障回路。僅當故障電流超過其他保護裝置的開斷能力時，才啟動CLiP動作。這樣，可盡量減少CLiP的動作和更換次數(shù)。

在電力系統(tǒng)中，單相接地故障占全部故障的60%以上。而中壓電力系統(tǒng)的安全可靠性，在其他條件相同的情況下，只取決于系統(tǒng)中性點的工作方式。通常，中壓配電系統(tǒng)中性點采用不接地、消弧線圈接地、諧振接地、低電阻和高電阻接地方式，取決于配電電壓等級、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和單相接地故障電容電流的大小等因素。不管采用何種中性點接地方式，當發(fā)生單相接地故障時，甚至兩相短路時（須經(jīng)過校驗），均不需要啟動CLiP動作，完全可由其他保護裝置來切除故障回路。因此，不用擔心采用CLiP后需要經(jīng)常更換的問題。

為了便于理解，可將CLiP主回路中的高速切斷裝置（開關(guān)）看成由電子點火邏輯裝置引爆的爆炸式斷口。電子點火邏輯裝置按設(shè)定的動作準則啟動CLiP，僅反應(yīng)故障電流的量值，而與故障電流的電流－時間特性、設(shè)備規(guī)格（或熔化I2t值）、溫度等因素沒有關(guān)系。電子點火邏輯裝置動作準則的選擇與CLiP的具體使用場合有關(guān)，是一個比較復(fù)雜的議題，但制造廠會根據(jù)具體的使用場合，提供詳細的整定值和選擇指南。

1.3故障能量限制

眾所周知，故障電流引起的損害與故障能量有關(guān)。故障電流的I2t值近似與故障能量成正比，通?？捎眠@個值來衡量損害的影響。與不帶限流裝置的斷路器相比，CLiP在減少故障電流損害方面具有驚人而奇特的作用。舉例來說，一個分斷時間為5個周期的40kA(rms)斷路器，產(chǎn)生的I2t=133×106A2·s；而采用CLiP以后，在相同的故障情況下所產(chǎn)生的I2t=600×103A2·s，僅為斷路器的0.45%。

因此，CLiP不僅可以獨立使用，還可以作為若干配電系統(tǒng)的補充裝置，廣泛應(yīng)用于保護領(lǐng)域。

2典型應(yīng)用實例

2.1CLiP與電抗器并聯(lián)（旁路）

如上所述，限流電抗器是配電系統(tǒng)控制短路電流水平的有效措施之一。但配電系統(tǒng)引入電抗器以后，會帶來2個問題：一是會明顯增加電能消耗，增加運行費用；二是增加在電壓調(diào)整上的困難。在帶負荷的情況下，一般電壓不會降到95%以下。但即便是5%的電壓降也會使設(shè)備的效率減少約10%，在照明系統(tǒng)中將減少的更多。設(shè)備效率降低、能耗增加，這些是電抗器本身損耗以外的附加損耗。配電系統(tǒng)中設(shè)備效率的顯著下降是不允許的。另外，電壓降低可能會影響大電動機的啟動等。來源:

電抗器并聯(lián)CLiP后，上述問題可以迎刃而解。因CLiP的電阻是以微歐計算的，電抗器與CLiP并聯(lián)組合，既能保持電抗器限流的優(yōu)點，又能克服引入電抗器后帶來的“損耗”和“電壓降”問題。正常運行時，電抗器被CLiP短接，電抗器基本上沒有電流流過。當系統(tǒng)中發(fā)生短路故障時，如果故障電流超過故障回路斷路器的開斷能力，則CLiP限流保護器啟動并打開，將故障電流轉(zhuǎn)到電抗器，就可由斷路器切除故障回路；當故障電流沒有超過故障回路斷路器的開斷能力時，CLiP不啟動，直接由斷路器切除故障回路。

電抗器與CLiP并聯(lián)使用時，應(yīng)考慮下列問題：

（1）電抗器必須具有足夠大的電抗值，以將故障電流限制在設(shè)備額定值以內(nèi)。但電抗器的阻抗又不能太大，以免電抗器上的電壓降影響系統(tǒng)正常運行。如果所需電抗器的阻抗太大，以致不能采用電抗器，此時，可選用獨立的CLiP實現(xiàn)保護功能，但與電抗器并聯(lián)使用的優(yōu)點也就不存在了。

（2）必須考慮單相和兩相短路故障的情況：

1）大多數(shù)三相故障將引起三相CLiP動作。國內(nèi)中壓系統(tǒng)單相接地故障，可由故障回路的斷路器來切除故障，圖2中的CLiP不需要動作。當發(fā)生兩相短路故障，且故障電流已超過故障回路斷路器的開斷能力，則CLiP是動作兩相還是三相，取決于系統(tǒng)是否允許長期三相電壓不平衡運行，因僅接入二相電抗器會造成系統(tǒng)三相電壓不平衡。這是由系統(tǒng)運行條件決定的。

2）如系統(tǒng)允許三相電壓不平衡運行，對圖2中旁路隔離開關(guān)可有2種選擇：①在CLiP兩側(cè)裝設(shè)隔離開關(guān)，該隔離開關(guān)至少具有切斷負荷電流的能力，在需要更換CLiP母線分斷器期間，打開旁路隔離開關(guān)而系統(tǒng)不需要停電。②不裝設(shè)旁路隔離開關(guān)，直到系統(tǒng)可以方便停電時，再更換CLiP的母線分斷器。

3）當兩相短路故障同時動作三相CLiP時，可以采用1組“脈沖變壓器”。但需要注意，非故障相是強行使其動作的，該相電流數(shù)值很小，CLiP的并聯(lián)熔斷器對如此小的電流可能不能熔斷，或熔斷時間過長而不能接受。典型的“后備”型限流式熔斷器具有最小的熔斷電流值。裝設(shè)旁路隔離開關(guān)的另一個好處是，當發(fā)生這種情況時可由它來隔離CLiP的并聯(lián)熔斷器。

4）為了支撐與電抗器并聯(lián)使用的CLiP的功能，在裝置的每相上裝設(shè)1只監(jiān)視繼電器，如果某一相CLiP動作轉(zhuǎn)換到電抗器，繼電器也將給出一個相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。該繼電器具有2組“干式”C接點，可供用戶控制接口使用，繼電器的動作時間為2個周期。

（3）更換熔斷器時與系統(tǒng)的隔離。通常，必須在系統(tǒng)停電或重要生產(chǎn)過程停止運行時，更換CLiP的母線分斷器和并聯(lián)熔斷器。正如前面所述，為了解決這個問題，圖2中在CLiP的兩端配置了旁路隔離開關(guān)。為確保檢修人員的安全，更換工作應(yīng)在隔離、可靠接地的條件下進行，并應(yīng)符合有關(guān)規(guī)范和實踐經(jīng)驗。

（4）必須審查電抗器接入系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)。人們往往擔心CLiP動作、電抗器接入系統(tǒng)時的暫態(tài)響應(yīng)。應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)和運行特性分析對系統(tǒng)的影響。但對整個系統(tǒng)來說，短路故障本身就經(jīng)受了暫態(tài)過程。電抗器是在故障發(fā)生的初期被置換到電路中去的，相對于在短路后期、比較大的電流等級下置換，其影響程度肯定小的多。

2.2CLiP與母線聯(lián)絡(luò)斷路器串聯(lián)

圖2是一個比較典型的中壓配電系統(tǒng)。為了啟動大容量電動機，或更好的平衡變壓器的負荷，或優(yōu)化分配發(fā)電機與相鄰母線的輸出容量，常常需要將母聯(lián)合上運行。但母聯(lián)合上后，2臺變壓器、發(fā)電機并列運行，使短路故障電流大大增加，可能會超過系統(tǒng)允許的故障額定值。大面積更換設(shè)備投資太大而不現(xiàn)實，在母聯(lián)回路串接CLiP是最好的選擇。母聯(lián)通過CLiP經(jīng)常合上運行，不需要更換兩段母線上的設(shè)備。

當發(fā)生故障時，啟動CLiP動作，將兩段母線解列后，故障電流量值將減校也就是說，CLiP動作后的某一時刻（如2~5個周期），下游開關(guān)裝置將安全切除“殘余”故障電流，而此時的故障電流不再是原先通過CLiP的電流，該電流值被設(shè)計在下游開關(guān)裝置的短路開斷能力以內(nèi)。

在圖2母聯(lián)右側(cè)母線上接有1臺發(fā)電機，在工業(yè)企業(yè)的配電系統(tǒng)中常有這種情況。假如在圖2所示位置發(fā)生故障，通過CLiP的故障電流為16kA（rms，sym），總的故障電流為25kA，而設(shè)備的額定開斷能力為

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變壓器并聯(lián)運行時，一般希望變壓器之間沒有平衡電流；負荷分配與額定容量成正比，與短路阻抗成反比；負荷電流的相位相互一致。為此，變壓器并聯(lián)運行必須遵守以下條件：①并聯(lián)運行變壓器的一次電壓、二次電壓相等，即變比要相等；②額定短路阻抗相等；③接線組別相同，即極性、相位相同。上述條件要絕對滿足是不可能的，一般規(guī)定變比的偏差不得超過±0.5%，額定短路阻抗相差不得大于±10%。

2）要驗算CLiP動作后的“殘余”短路電流。短路故障電流可能來自變壓器、發(fā)電機、電動機的反饋電流等。在CLiP動作后，提供短路電流的路徑會發(fā)生變化。以圖2為例，CLiP動作前，2臺變壓器并列運行，假定2臺變壓器來自同一個電源（阻抗為Z1），左側(cè)變壓器阻抗為Z2、右側(cè)變壓器阻抗為Z3，則由各臺變壓器提供的短路電流按其阻抗大小分配。設(shè)CLiP動作前后，由變壓器（Z2）提供的短路電流分別為I2和I′2。當CLiP動作后，對圖3中的短路故障點而言，Z

3

=∝，不難求得

I′2/I2=（Z1/Z3+2/(Z1/Z2+1)

通常，Z2≤1.2Z3撥（景或挺反怠之孩）課，絕Z江3保>烏>粥Z召1給，己則次式賄（代1遷）破的涼比氣值癥總并是棚大未于它1棄。萄也蛙就待是虜說結(jié)，靜C爬L煤i攀P佩動閑作銳后肥，艘由愛變撲壓滋器莊（輕Z匠2避）貨提撤供蘇的成“雖殘癢余雞”卻短悲路傍電竄流鳴將戶增首加篩。珠因傻此元，獲應(yīng)梯注蠢意架校姻驗拖下良游左開憑關(guān)壟裝槐置贈應(yīng)喚能群可殘靠杰分拋斷稱該世電步流檔。拜卡煎屋鮮喚立要喪餐鮮稀

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第一年由每千瓦損耗引起的總費用=F1s（CL+D）（5）

通常，假定在年末支付費用（終值），應(yīng)將上述費用折算成采購日的現(xiàn)值?？刹捎眉夹g(shù)經(jīng)濟學(xué)中一次支付現(xiàn)值公式

現(xiàn)值=終值×（1+i/100）-N(6)

式中,i為貼現(xiàn)率，%。不包括通貨膨脹的影響。一般可用國家規(guī)定的銀行貸款利率（如10%）。N為計算周期，年。這里，N為電抗器壽命，取30年。這樣，第一年由每千瓦損耗引起的總費用現(xiàn)值為

A1=F1s（CL+D）/（1+i/100）=A

/（1+i/100）(7)

考慮到由損耗引起的費用與負荷的年增長率a和能源成本年增長率b有關(guān)，因此

第2年由每千瓦損耗引起的總費用現(xiàn)值

A2=A（1+a）2（1+b）/（1+i/100）2

第3年由每千瓦損耗引起的總費用現(xiàn)值

A3=A（1+a）4（1+b）2/（1+i/100）3

第N年每千瓦損耗引起的費用現(xiàn)值

AN=A（1+a）2（N-1）（1+b）（N-1）/（1+i/100）N

3.1.4電抗器壽命期內(nèi)的損耗總投資費用（現(xiàn)值）

在電抗器壽命期N年內(nèi)，由每千瓦損耗引起的費用現(xiàn)值總和為上述N項之和。實際上，上述數(shù)列為一個等比數(shù)列，其公比r=（1+a）2（1+b）/（1+i/100）。由等比級數(shù)求和公式，可得N年內(nèi)由每千瓦損耗引起的費用現(xiàn)值總和Ctot為

Ctot=F1s（CL+D）Q/（1+i/100）（8）

Q=（1-rN）/（1-r）

（9）

r=(1+a)2(1+b)/(1+i/1