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highcapacityandhighspeedcircuitbreaker;
parameterselection;
application;
interruptingcapacity
1问题的提出
某厂厂用变高压侧开关为SN410G型,最大开断电流58kA,一次系统接线方式见图1。
随着系统容量的增大,厂变高压母线或套管附近(图中K点)发生三相短路时存在下列问题:
a.厂变高压侧开关遮断容量不足,不能开断短路电流。
目前,6kV真空断路器最大开断电流为80kA左右,因此,增大开关容量也不能解决现有问题。
b.利用主变或发电机出口断路器切断高压厂变系统的短路电流,因断路器的开断时间长(80~140ms),会对主变及发电机产生故障冲击,危害主设备安全。
因厂用电系统故障将引起主变压器停运,对系统方式影响较大。
2解决方案
针对上述问题,国外(如ABB公司、Siemens公司)开发出基于高温超导材料的超导故障限流器(HTSFCL),动作时间仅为几毫秒。
但由于价格昂贵,应用量很少。
目前,国内开发研制出了采用爆炸式快速开断载流桥体与高压限流熔断器、高吸能氧化锌电阻相组合的新型大容量高速开关装置(FSR),由于该装置具有额定电流大(12kA)、断流能力强(160kA)、开断速度快(3ms内切断故障)等卓越性能,因此已在多家单位实际应用,运行良好。
3FSR工作原理及特点
组成
FSR主要由载流桥体FS、高压限流熔断器FU、非线性电阻FR及测控单元组成,如图2所示。
装置原理
FS与FU阻抗相比为1∶2000。
因此正常运行时工作电流经FS流过。
系统发生故障短路时,接到测控单元的分断命令后,FS在ms之内爆破断开,电流转移至FU。
FS断开后全部短路电流转移到FU,使FU在ms内熔断,并产生足够的弧压。
FU断开时产生的弧压使其导通,吸收FU开断后产生的电弧能量及电源注入的能量,使FU顺利熄弧,并把断开时的过电压限制在允许的倍相电压范围内。
检测电流和电流变化率,当电流幅值和电流变化率同时超过定值时,判断为短路发生,并采用3个相同的独立工作的测控部件,以“三取二”动作方式做出判断,向FS发出分断信号。
装置特点
a.由于FSR的限流性,设备不再遭受短路电流的冲击,延长了发电机、主变等设备的使用寿命,大大提高了系统设备在动稳定与热稳定方面的安全裕度。
b.FSR的快速性,使故障切除的时间大大缩短(小于3ms),更能有效地保护设备。
大量的研究结果表明,只有在20ms内切除故障,才能避免主变、发电机等设备的损坏,并避免主变、发电机停运。
c.FSR限制了开断过电压,使开断过程中产生的过电压限制在设备允许的范围内。
d.对较小的短路电流,由和FSR串联的断路器开断。
对较大的短路电流,在FSR动作的同时,断路器也动作,但由于其动作时间长,因此在FSR开断、截流约80ms后才动作,断路器开断时,线路中已无电流流过,提高了断路器的使用寿命。
由于FSR动作快,在短路电流上升的起始阶段就已被截流,可使最大短路冲击电流及与系统热稳定有关的I2t大大降低,使系统的动稳定和热稳定裕度大大提高。
4FSR参数选择
选择原理
FSR的电流波形见图3。
选择原则
下面以某厂实际应用为例,说明FSR装置各参数的选择原则。
某厂机组一次系统接线图(K点3相短路Ik=119kA)和FSR安装位置见图1、图2,其参数的选择应遵照如下原则。
4.2.1额定运行电流
按照设备安装处系统的额定电流并考虑一定的裕度。
动作电流
高压厂变开关为SN410G型,其开断电流为58kA,为保护高压厂变开关,选取FSR动作电流为高压厂变开关开断电流的50%,此为厂家提供的经验值。
启动电流
a.FSR启动电流应能躲过厂用变压器允许的短时过载电流。
b.系统最大运行方式下,高压厂变高压侧短路电流Ik流过FSR时,装置的运算时间t0≥sin-1
FSR的启动电流应选取上述两者中的较大值。
电流变化率
FSR的动作电流波形如图3中的曲线4所示,由于动作电流为
FSR电流变化率的整定值为此曲线在第1个1/4波形区间电流值的斜率。
动作条件
FSR的动作取决于启动值ilimit(见图3中的曲线3)、电流变化率di/dt(见图3中的曲线5),只有在两者同时超过整定值时,FSR才会动作。
截流时间和截止电流
最大运行方式下流过FSR的三相短路电流:
可见,由于截流时间短,截流值小,短路电流对10kV系统中发电机、主变等设备的冲击将大大减小。
的参数
由Ik=119kA和ip=kA查得FU的额定电流应取:
In=250A。
取FR的1mA电压
=kV,以保证发电机、变压器不受高电压的冲击。
截止电流转移到FR后衰减到零的时间是:
5结论
a.采用大容量高速开关装置,解决了系统容量增大引起的常规开关遮断容量不足的问题,同时减小了短路故障时对系统的冲击,节约了投资。
b.大容量高速开关装置改变了传统断路器两工位器件概念,动作时间短,是传统断路器的替代产品,能满足不同工况下的现场运行要求。
高压断路器主要的技术参数是遮断容量和灭弧性能,影响这两参数最直接的原因,是短路电流的切除时间。
传统断路器主要解决的措施是增大触头容量、选择灭弧性能优越的介质、对灭弧室结构进行优化等措施。
但是遮断容量越大,其制造成本越高。
随着系统容量的增大,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,通过增大断路器的触头容量已不能解决问题。
现需要能在故障瞬时以最快的速度切断短路电流,避免被保护设备及断路器本身受到巨大的热冲击和电动力的破坏。
因此,在断路器改造方案上,经过技术经济比较和反复论证,选择大容量高速断路器来替代传统断路器十分必要。
1问题的提出
某公司110kV变电站接入110kV系统电源,同时采用自备电厂的10kV作为备用电源,实现并网运行。
其一次系统接线方式如图1。
图1两电源并网运行系统接线图
随着系统容量的增大,变电站负荷侧发生三相短路时存在下列问题。
发出口断路器遮断容量不足,不能开断短路电流。
利用主或发出口断路器切断短路电流,断路器的开断时间过长,达80~140ms,会对主及发产生故障冲击,发故障将引起主停运,危害主设备安全。
对系统方式影响较大。
2解决方法
针对现用断路器存在问题,为了使负荷侧断路器的开断电流减小,并降低工程造价,采用了一种新型大容量高速断路器装置(简称FSR装置)与电抗器并联的接线方式。
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,并抑制了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经电抗器限流到允许范围。
3大容量高速断路器的组成及功能
FSR装置主要由断路器DL、爆炸式快速开断载流桥体FS、高压限流熔断器FU、非线性电阻FR及测控装置组成。
载流桥体FS
图2FSR装置组成示意图请登陆:
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因FS的电阻与熔断器FU电阻的比值为1∶2000,故正常时工作电流经FS流过,故障时,接到测控单元的命令后,在之内爆炸断开,电流转移至熔断器FU。
熔断器FU
FS断开后,全部短路电流转移至熔断器FU,在内FU熔断,并产生足够的弧压。
非线性电阻FR
FU熔断时产生的弧压使其导通,吸收电感中存在的磁能及电源注入的能量,使FU顺利熄弧,同时把开断时的过电压限制在倍的额定相电压之内。
测控单元
测控单元的测控数据为检测电流i和电流的变化率di/dt,当电流幅值和电流变化率同时超过整定值时,判断为短路发生,采用三个相同独立工作的CPU部件,以“三取二”表决方式判断,向FS发出分段命令。
4FSR装置的工作原理
在正常运行和正常操作时,负荷电流流过真空断路器后,再流过爆炸式载流桥体与熔断器,其中98%以上的负荷电流流过爆炸式载流桥体,2%的负荷电流流过熔断器。
当设备发生故障时,主电路中的电流幅值和电流变化率超过整定值,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,载流桥体断开,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。
在大容量高速断路器装置完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载短路电流的动稳定性和热稳定性则无要求。
5FSR装置的特点
限流性 由于FSR的限流性,短路电流在初始上升阶段即加以限制,不可能达到短路冲击电流的峰值,设备不再遭受短路电流的冲击,延长了发、等设备的使用寿命,大大提高了设备动稳定和热稳定方面的安全裕度。
快速性 故障电流在1ms内被截流,3ms之内衰减到0,故障被完全切除,更能有效地保护设备。
而一般断路器至少要60ms才能切除故障。
灵敏度高 由于FSR装置增加了电流变化率作为启动判据,故障时电流变化率增加更明显,使灵敏度更高
容量大 配置大容量的非线性电阻,吸收开断过程中磁能,开断容量可不受限制。
6FSR装置的运行要求
当发生三相短路故障时,电抗器应可靠投入,从而要求FSR装置在短路电流上升的初始阶段应可靠断开,故FSR动作值应取90%的三相短路电流值。
正常运行时,FSR启动电流应能躲过负载允许的短时过载电流。
取倍的可靠系数。
7FSR装置的应用
应用于发出口
应用于发出口见图3。
发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20~150ms。
这会给发造成很大的危害,同时对保护设备有更高的要求。
用FSR保护发出口端短路故障,具有很好的保护作用,因为在短路电流最大值未通过发时,FSR将故障电源直接切除;
也可以采用FSR与限流电抗器并联的方式,正常运行时FSR将电抗器短接;
故障时FSR快速断开,故障电流流过限流电抗器,电抗器将故障电流限制在允许范围以内,仍能保证系统正常运行。
图3FSR用于发出口来源
FSR也可以应用在厂用分支、励磁分支,见图4。
有效避免因穿越性故障而损坏的事故。
图4FSR用于厂用分支请登陆:
应用于系统扩建或联网运行时
在系统扩建时,FSR用于电源联络见图5。
原有断路器设备不必更换。
可提高系统供电可靠性,减少重负载启动时的压降。
实现经济运行。
图5FSR用于电源联络
FSR应用于母联位置,见图6。
当系统一旦发生短路故障,由于负荷侧断路器只按单台提供的短路电流进行配置,FSR可以快速限流,将系统解列。
来源:
输配电设备网
图6FSR用于母线联络
FSR与电抗器并联
FSR与电抗器并联见图7。
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。
图7FSR与电抗器并联
在供用电系统设计时,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。
FSR用于重要负荷
FSR用于重要负荷见图8。
若线路中带有重要用户,不允许瞬时断电,或须强行自启动的重要负荷,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连续运行,而不受影响。
图8FSR用于重要负荷的线路
FSR组成的器件,决定了FSR的特性,FSR装置与传统介质灭弧原理的断路器相比较,动作时间快、可靠性高、不存在机械拒动。
应用FSR可以使发、及高压断路器不再受短路电流峰值的冲击,延长了设备使用寿命。
并且降低了系统投资,通过经济技术比较,具有很大的优势。
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