用于大型同步發(fā)電機出口及廠用變和勵磁變分支的大容量快速資料講解

用于大型同步發(fā)電機出口及廠用變和勵磁變分支的大容量快速開斷裝置

合肥凱立控制技術有限公司

報告人：黃冬華

FUR高壓限流熔斷器組合保護裝置和FSR大容量快速開斷裝置是由安徽凱立公司研制的專利技術，它具有斷流能力強，開斷速度快等特點,是發(fā)電機出口廠用變、勵磁變分支回路等短路容量較大的場所的快速有效的保護裝置。

6.1、高壓限流熔斷器組合裝置作為勵磁系統(tǒng)的短路保護，主接線示意圖如下：

勵磁變或廠高變高壓側發(fā)生短路時的短路電流波形示意圖

由于FU的限流性和快速性，采用了FUR后原系統(tǒng)將具有如下的優(yōu)越性：1)由于FU的快速性和限流性是由物理特性所決定，而無機械拒動作的可能，所以可靠性高。2)由于FU的限流性，主機、主變及真空斷路器不再受峰值電流沖擊，延長了使用壽命，大大提高了系統(tǒng)設備在動、熱穩(wěn)定方面的安全裕度。3）勵磁變高壓側加裝FUR裝置不但在勵磁變內(nèi)部匝間短路、勵磁變高壓側短路時能快速有效保護。同時當功率柜內(nèi)部出現(xiàn)短路、勵磁變低壓交流側短路時也能快速有效保護。4)由于FU的快速性，使故障切除時間大大縮短，更能有效地保護主機和主變壓器。大量的研究結果表明，只有在20ms之內(nèi)切除故障，才能避免變壓器的損壞事故。5)FR限制了FU的過電壓，使操作過電壓小于2.5倍相電壓。FR吸收了FU開斷過程中主機、主變及線路磁場能量和開斷過程中電源提供的能量。使FU開斷時的電弧能量降低至允許值以下，從而使開斷容量及可靠性大大提高。

高壓限流熔斷器組合保護裝置由安徽凱立科技股份有限公司研制，額定電流能做到400A，開斷電流高達160KA。該裝置于1997年11月獲得國家專利證書，在發(fā)電機勵磁變，廠用電分支獲得大量應用。諸如：葛洲壩電廠、吉林白山電廠、四川寶珠寺電廠、貴州東風電廠、烏江渡電廠、黃河萬家寨電廠、江西萬安電廠、新安江電廠、山西神頭火電廠等近300多家大中型電廠。

6.2、大容量高速開關裝置大容量快速開斷裝置具有額定電流大（12KA）、斷流能力強（240KA），開斷速度快（3ms以內(nèi)切除故障）等特點。對于傳統(tǒng)的斷路器保護方式來說，大容量快速開斷裝置在開斷技術上是一個重大突破。

1傳統(tǒng)的斷路器保護方式存在的問題：

（1）

開斷的時間長、沖擊電流大；

如圖一所示短路故障后，繼電保護動作時間為30～40ms,斷路器固有分閘時間為40～80ms，燃弧時間要10～20ms,故障切除時間長達80～140ms。 對于50HZ的電網(wǎng)，短路后5～10ms之內(nèi)達到?jīng)_擊電流最大值。早在斷路器開斷之前，系統(tǒng)的設備就已經(jīng)受到了3～4次大電流的沖擊。

發(fā)電機出口短路時，短路電流達6～7Ie，沖擊電流高達15-18Ie?；痣姀S廠用變分支短路（廠用電率10％）時，短路電流達110-170Ie，沖擊電流高達280～450Ie，水電廠廠用變（廠用電率1％）或勵磁變分支短路時，短路電流達1100～1700Ie，沖擊電流高達2800～4500Ie。（２）由于沖擊大，時間長，使得在系統(tǒng)設計時，就要對發(fā)電機、變壓器、互感器、母線、絕緣子、金屬構架等設備在動穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性方面要考慮留用足夠的余度，這就必然要增加很多投資。（３）斷路器開斷能力不足（63KA，最大80KA）發(fā)電機、廠用電分支無保護。目前，在系統(tǒng)中并網(wǎng)運行的200MW及以上大型機組已經(jīng)很多，600MW及以上機組也已投產(chǎn)多年，這些大型機組發(fā)生出口短路時，電流超過80KA，廠用變或勵磁變分支短路時，電流將超過100KA，發(fā)電機出口或廠用分支無法選到合適的斷路器，人們不得不耗費很多資金把發(fā)電機至變壓器之間設計成封閉母線，還有的廠用變壓器、勵磁變壓器由三個單相變壓器組成，意在盡量避免出口短路，但是當發(fā)電機出口發(fā)生間歇性弧光接地時，非故障相避雷器動作或絕緣薄弱環(huán)節(jié)擊穿等等，都會導致發(fā)電機出口相間短路的發(fā)生，后果不堪設想。大容量快速開斷裝置主要由橋體FS、熔斷器FU、非線性電阻FR及測控單元等組成，簡稱FSR。

測控單元定期檢測電流和電流變化率，短路時向橋體發(fā)出分斷命令。正常時的工作電流經(jīng)橋體流過，接到測控單元的分斷命令后，橋體在0.15ms之內(nèi)斷開，電流轉移到熔斷器。經(jīng)0.5ms熔斷器熔斷，產(chǎn)生的弧壓使非線性電阻導通。非線性電阻導通后吸收磁能，并把過電壓限制在允許的2.5倍相電壓之內(nèi)。額定電流大（可做到12KA），開斷能力強（240KA），截流時間短。與傳統(tǒng)的斷路器開斷方式相比具有以下顯著特點：1）速動性提高20倍以上。短路電流在1ms以內(nèi)被截流，3ms之內(nèi)衰減到零，故障被完全切除。傳統(tǒng)的斷路器保護方式最快也要75ms，至少為FSR的25倍。

2）系統(tǒng)永遠達不到預期的沖擊電流，設備的動穩(wěn)定和熱穩(wěn)定的余度不必設計得過大，可節(jié)省大量資金。截流值Ip僅為預期短路沖擊電流的1/7～1/6左右，系統(tǒng)承受的電動力大大減少。所通過的I2t比斷路器開斷方式減少了至少500倍，可達上千倍。3）開斷過程中無危害性過電壓；氧化鋅良好的非線性特性，可將開斷過電壓限制在2.5倍的額定相電壓以內(nèi)。4）開斷容量可以足夠大。目前可以做到240KA，一般只需要160kA。只需要配置相應的非線性電阻來吸收磁能，開斷容量就可以做得足夠大。此外由于本裝置引入電流變化率做判據(jù)，靈敏度更高。設計上采用三個相同的獨立工作的測控部件，以“2/3表決方式”判斷故障的發(fā)生，可靠性更高。2大容量快速開斷裝置的應用1）

大型發(fā)電機出口、廠用變分支或勵磁變分支能得到快速有效保護。下列圖中所示裝置為FSR，具體采用何種裝置視額定電流而定。額定電流小于500A的場合可使用FUR裝置。2）

如圖六所示，發(fā)電機出口短路時，一般由系統(tǒng)提供的短路電流比發(fā)電機提供的短路電流大。起始瞬間短路電流周期分量為6～7Ie，沖擊電流可達15～18Ie。例如300MW機組，IK=73.7～84.7KAIimp=198～227.6KA如圖七所示，廠用變壓器或發(fā)電機勵磁變高壓端部附近短路時，短路電流是由發(fā)電機和系統(tǒng)提供。對于火電廠（廠用電率約為10％），短路電流為廠用變壓器額定電流的110～170倍。300MW機組IK=128.7～194.7KA，沖擊電流高達345.8～523.2KA，是額定電流的304.9～439.3倍。而對于廠用電率為1％左右的水電廠廠用電分支或發(fā)電機勵磁變分支，則短路電流為廠用變或勵磁變額定電流的1100～1700倍，沖擊電流達2800～4500倍。廠用變、勵磁變受到這樣大的短路電流的沖擊，必然會發(fā)生爆炸。只有FUR及FSR才能開斷，采用了FUR及FSR后，實際沖擊電流卻遠沒有達到預期短路沖擊電流，發(fā)電機、變壓器、廠用變或勵磁變得到了快速有效的保護。

3）采用FSR裝置可大大減少了系統(tǒng)擴建或聯(lián)網(wǎng)運行所需的投資。無論系統(tǒng)擴建或聯(lián)網(wǎng)運行，都涉及到圖八所示變壓器的并列運行。它可以帶來如下好處:a.

提高了供電可靠性；b.

減少了正常運行和大型電動機啟動時的電壓降；c.

圖八有利于根據(jù)負荷情況決定所投入的并列變壓器運行的臺數(shù)以便實現(xiàn)經(jīng)濟運行。如圖九所示，新投入的發(fā)電機與原有電網(wǎng)的并列運行與上述情況類似。對于圖八和圖九，如果用母聯(lián)斷路器并列運行，則會使負荷出口短路時，短路電流由IK1增加為IK=IK1+IK2,帶來如下麻煩：a．原有斷路器開斷能力不足,需要更換,須增加投資;b．為與母聯(lián)斷路器繼電保護配合,原有負荷的繼電保護須再延時0.5s;c．原有系統(tǒng)設備需要重新檢驗動熱穩(wěn)定性。如在圖八和圖九所示的系統(tǒng)中,用FSR取代并列運行的聯(lián)絡斷路器,則上述麻煩都可避免,且可保留并列運行帶來的好處。

4）FSR裝置與電抗器并聯(lián)是最經(jīng)濟有效的限流方案。有些發(fā)電廠的機端母線上接有容量不大的廠用電負荷或直配線路(如圖十、圖十一),還有些變電所接有負荷不大的供電線路或所用電負荷。按照系統(tǒng)的實際短路電流來選擇這些負荷斷路器,往往很不經(jīng)濟,為此需要采用電抗器限制短路電流。但串入電抗器后,卻存在如下問題：a．正常運行時在電抗器上產(chǎn)生電壓降，而這個電壓降隨負荷變化，給調節(jié)供電電壓質量造成困難；b．較大電動機啟動時，電抗器上的電壓降會加劇，將影響其它負荷的運行；c．電抗器長期串聯(lián)在供電系統(tǒng)中，將產(chǎn)生巨大的電能損耗；d．電抗器強大的漏磁場，將使周圍的金屬構架、鋼筋混凝土產(chǎn)生附加熱損耗和振動，影響運行壽命。將FSR與電抗器并聯(lián)后，可解決上述問題，并保留電抗器的限制短路電流的功能。3結論（1）

氧化鋅非線性電阻與熔斷器并聯(lián)，可使開斷能力大大提高，是開斷技術的一個重大突破。（2）

大容量快速開斷裝置額定電流大，開斷能力強，截流小，速度快，是發(fā)電機出口、廠用變