摘要：通過(guò)在江埡水電站廠用電系統(tǒng)的改造中，采用FUR組合保護(hù)裝置加普通真空斷路器取代原有高壓負(fù)荷開(kāi)關(guān)，有效的防止了誤動(dòng)作，減少了操作過(guò)電壓對(duì)主要電氣設(shè)備的沖擊，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)作的可選擇性，降低了造價(jià)。該文對(duì)在選型過(guò)程中的步驟及應(yīng)考慮的問(wèn)題，給予了較深入的研究。

關(guān)鍵詞：FUR 組合保護(hù)裝置 廠用電 應(yīng)用

　1 概述

　　湖南省江埡水電站裝設(shè)3臺(tái)10萬(wàn)kW的水輪發(fā)電機(jī)組，電站于1998年至1999年相繼投入商業(yè)運(yùn)行，發(fā)電機(jī)額定電壓為13.8kV，3臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)電壓側(cè)采用單機(jī)單變—即單元接線方式，主變高壓側(cè)為110kV和220kV電壓等級(jí)送出，其中一臺(tái)機(jī)組接110kV/220kV自耦變壓器，另兩臺(tái)機(jī)組接220kV雙圈變，3臺(tái)高壓廠用變?nèi)∽?臺(tái)主變的低壓側(cè)，變壓比為13.8/10.5kV，10.5kV側(cè)采用分段接線方式，未改造前高壓廠用變壓器的額定容量為1250k VA，改造后新增一臺(tái)2500kVA的變壓器接1臺(tái)機(jī)組，一臺(tái)機(jī)組接1250kVA變壓器不變，另一臺(tái)機(jī)組采用2臺(tái)1250kVA并列運(yùn)行。原高壓廠用變壓器高壓側(cè)（即13.8kV側(cè)）均采用負(fù)荷開(kāi)關(guān)進(jìn)行保護(hù)，運(yùn)行中出現(xiàn)非正常動(dòng)作及熔絲燒壞現(xiàn)象，因此結(jié)合此次廠用變?cè)鋈莞脑?，同時(shí)對(duì)保護(hù)設(shè)備進(jìn)行改造。整個(gè)改造于2002年元月完成，至今已運(yùn)行近3年，效果良好，業(yè)主及運(yùn)行人員對(duì)此非常滿(mǎn)意。現(xiàn)就改造方案的選取及在選型過(guò)程需要考慮的主要問(wèn)題進(jìn)行探討，對(duì)今后正確選用FUR設(shè)備及高壓限流熔斷器將會(huì)起到一定的作用。

　　2 改造方案的選取及原方案存在的問(wèn)題

　　由于13.8kV原開(kāi)關(guān)設(shè)備均為裝柜形式，且地方狹窄，不可能再增加設(shè)備位置，只能在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造完善，為了保證今后的安全運(yùn)行，在全面了解現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，擬定了三個(gè)方案供選擇比較。

　　第一方案是更換原有負(fù)荷開(kāi)關(guān)，即增加額定電流以滿(mǎn)足廠用變?nèi)萘康淖兓?，此方案最為方便?jiǎn)單。從表面上看，在正常情況下，選擇負(fù)荷開(kāi)關(guān)額定電流為1250A或630A均可滿(mǎn)足要求，但若廠用變二次側(cè)發(fā)生短路時(shí)，考慮廠用變阻抗后，流過(guò)一次側(cè)的最大電流約為2000A，而目前負(fù)荷開(kāi)關(guān)的最大額定電流為1250A，所以不能滿(mǎn)足要求，有可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)荷開(kāi)關(guān)爆炸等嚴(yán)重現(xiàn)象的發(fā)生，不是徹底的解決問(wèn)題的方案。

　　第二方案是在原有開(kāi)關(guān)柜內(nèi)將負(fù)荷開(kāi)關(guān)更換為真空斷路器。通過(guò)短路電流計(jì)算，當(dāng)在高壓廠用變高壓側(cè)發(fā)生三相短路時(shí)，系統(tǒng)各設(shè)備提供的最大短路電流達(dá)到77.9kA（自耦變側(cè)）和54.4kA（雙圈變側(cè)），假定斷路器能切斷如此大的短路電流，但由于斷路器實(shí)際開(kāi)斷時(shí)間（繼電保護(hù)時(shí)間與斷路器分閘時(shí)間之和）大于80ms，所以在短路故障切除之前，與之相連接的電氣設(shè)備將受到3個(gè)周波以上的大短路電流沖擊，幾次這樣大的短路電流沖擊必然對(duì)設(shè)備帶來(lái)很大的損害，影響其使用壽命和經(jīng)濟(jì)效益的充分發(fā)揮。實(shí)際上，現(xiàn)有常規(guī)斷路器也無(wú)法切斷如此大的短路電流，若選用發(fā)電機(jī)專(zhuān)用斷路器，其價(jià)格十分昂貴，也不能保證短路動(dòng)作有良好的選擇性，也難以避免大短路電流的沖擊。

　　第三方案是采用FUR組合裝置加真空斷路器的組合方案。真空斷路器僅作為操作電氣設(shè)備代替負(fù)荷開(kāi)關(guān)，可選擇輕型斷路器，F(xiàn)UR作為保護(hù)設(shè)備（FU即高壓限流熔斷器，F(xiàn)R為高能氧化鋅過(guò)電壓保護(hù)器，兩者組合簡(jiǎn)稱(chēng)FUR），F(xiàn)U的限流性和快速性使得在短路電流遠(yuǎn)未達(dá)到最大值之前就切斷短路電流，其切斷時(shí)間可根據(jù)保護(hù)特性進(jìn)行調(diào)整和選擇，以保證上、下級(jí)的動(dòng)作選擇性，從而達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。而FR的降壓性和移能性限制了網(wǎng)絡(luò)中的操作過(guò)電壓，并將短路網(wǎng)絡(luò)中的磁場(chǎng)能量釋放，快速將電流衰減至零。因此使用FUR裝置有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　（1）由于FU的快速性和限流性是由其物理特性所決定，而無(wú)機(jī)械拒動(dòng)的可能，所以有較高可靠性；

　　（2）由于FU的限流性，系統(tǒng)設(shè)備不再會(huì)受到預(yù)期短路沖擊電流的沖擊，有效避免了因穿越故障電流而損壞設(shè)備的事故，延長(zhǎng)了電氣設(shè)備的使用壽命，且設(shè)備選擇無(wú)需考慮動(dòng)、熱穩(wěn)定校驗(yàn)問(wèn)題；

　　（3）由于FU的快速性，使故障切斷時(shí)間大大縮短；

　　（4）由于FR的非線型性有效的限制了FU的過(guò)電壓，使操作過(guò)電壓小于2.5倍的額定相電壓，F(xiàn)R吸收了FU在開(kāi)斷過(guò)程中系統(tǒng)各部分提供的能量，使FU開(kāi)斷時(shí)的電弧能量降低至安全線以下，從而減輕了FU的承受壓力。

　　FUR的上述這些優(yōu)點(diǎn)克服了方案一、二的某些缺點(diǎn)，且價(jià)格較方案二低很多，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)在原有開(kāi)關(guān)柜內(nèi)進(jìn)行改造，工作量較少，改造時(shí)間短。

　3 柜內(nèi)結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)

　　在確定了采用普通真空斷路器加FUR組合保護(hù)裝置方案后，在不增加外置設(shè)備及占地的情況下，分析所增加的設(shè)備在柜內(nèi)安裝的可能性。原柜內(nèi)裝設(shè)了一臺(tái)高壓負(fù)荷開(kāi)關(guān)，在不改變柜體尺寸的情況下，將此開(kāi)關(guān)拆除后，略加改造（即增加相關(guān)的支撐件）自上而下依次布置FU的撞擊機(jī)構(gòu)、FU、FR及真空斷路器。真空斷路器僅作為切斷負(fù)荷電流之用，因此它安裝在FUR之前或之后都是可取的，根據(jù)開(kāi)關(guān)的型式及操作、檢修及維護(hù)更換設(shè)備的方便，在此次改造中，將真空斷路器布置在FUR之后，主要原因是：

①斷路器操作機(jī)構(gòu)易于安裝，引出線易于連接；

②在更換FU熔絲時(shí)，可斷開(kāi)斷路器，使FU下觸頭在無(wú)電壓情況下更換，保證了人身安全；

③FUR裝設(shè)在開(kāi)關(guān)柜后板上，支撐容易，且與封閉母線套管和真空斷路器連接方便，經(jīng)校核安裝尺寸及帶電距離均可滿(mǎn)足要求，但柜內(nèi)需增加一定數(shù)量的設(shè)備支撐件及面板現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)孔工作。如果能在FUR前再裝設(shè)一組隔離開(kāi)關(guān)，則該方案就更加完美，即當(dāng)在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，需更換FU的熔絲時(shí)，不會(huì)影響機(jī)組正常發(fā)電，上、下端均不帶電，人員更加安全。

       4 FUR參數(shù)的選擇

　　FUR參數(shù)的選擇至關(guān)重要，應(yīng)認(rèn)真分析研究，收集資料。它的參數(shù)既要保證能可靠動(dòng)作，又要保證在發(fā)生短路事故時(shí)能與廠用變低壓側(cè)主保護(hù)的協(xié)調(diào)配合，這樣即保證了選擇性又起到使主設(shè)備免遭沖擊的作用，現(xiàn)以2500kVA高壓廠用變高壓側(cè)FUR的參數(shù)選擇，舉例說(shuō)明其選擇方法與一般負(fù)荷開(kāi)關(guān)和熔斷器選擇方法的主要區(qū)別和應(yīng)考慮的問(wèn)題。

　　4.1 按額定電流選

　　2500kVA廠用變高壓側(cè)的額定電流為104.6A，同時(shí)考慮變壓器允許過(guò)載2小時(shí)時(shí)按過(guò)載系數(shù)為1.3倍不動(dòng)作，并留有10%的裕度及5%的容差后，計(jì)算電流應(yīng)為157.1A，意味著FU的額定電流選擇為160A，在正常運(yùn)行情況下不會(huì)動(dòng)作。

　　4.2 按變壓器承受的沖擊電流選擇

　　保護(hù)變壓器用的熔斷器應(yīng)能承受變壓器勵(lì)磁涌流沖擊而不熔斷。根據(jù)目前的規(guī)定，當(dāng)變壓器突然合閘時(shí)，勵(lì)磁涌流最大為變壓器滿(mǎn)載電流的12倍，持續(xù)時(shí)間為0.1s，即勵(lì)磁涌流Ic =104.6×12=1254A，考慮到熔絲熔斷時(shí)的分散性，應(yīng)留有20%以上的裕度，即保證在0.1s時(shí)熔絲不熔斷的電流Ic’=1505A，查160A的限流熔斷器安—秒特性曲線，在0.1s時(shí)的熔斷電流為1600A，能夠避開(kāi)變壓器勵(lì)磁涌流而不熔斷。

　　4.3 按保護(hù)配合性選擇

　　當(dāng)高壓廠用變低壓側(cè)發(fā)生短路時(shí)，反應(yīng)到高壓側(cè)的電流估算為104.6/0.06=1743.3A（0.06為廠用變壓器的阻抗電壓值），查160A限流熔斷器的安—秒特性曲線，在1743.3A時(shí)相應(yīng)的熔斷時(shí)間為60ms，而低壓側(cè)真空斷路器的跳閘動(dòng)作時(shí)間為80ms以上，即當(dāng)?shù)蛪簜?cè)發(fā)生短路時(shí)，低壓側(cè)斷路器在未及時(shí)跳閘的情況下，高壓側(cè)限流熔斷器即FU既已被熔斷，說(shuō)明當(dāng)額定電流為160A時(shí)不能與廠用變低壓側(cè)主保護(hù)相配合。為了使FUR在廠用變低壓側(cè)短路時(shí)保證動(dòng)作的選擇性，熔斷器的額定電流應(yīng)選高一級(jí)即250A，查250A限流熔斷器的安—秒特性曲線，此時(shí)熔斷時(shí)間為700ms，可以滿(mǎn)足動(dòng)作選擇性要求。

　　4.4 按FU限流特性及FR殘壓水平進(jìn)行校驗(yàn)

　　當(dāng)廠用變高壓側(cè)發(fā)生三相金屬短路時(shí)，根據(jù)250A限流熔斷器的預(yù)期電流有效值—截?cái)嚯娏鞣逯登€，根據(jù)短路電流計(jì)算結(jié)果（在自耦變壓器低壓側(cè)）最大運(yùn)行方式下的短路電流值為77.9kA，可以查到其截?cái)嚯娏鞣逯禐?5kA，熔斷時(shí)間約為1.1ms，而在廠用變低壓側(cè)短路時(shí)高壓側(cè)電流為1743.3A時(shí)的熔斷時(shí)間為700ms，可以滿(mǎn)足選擇性要求。同時(shí)為了與FU截?cái)嚯娏飨嗯浜?，高壓?cè)真空斷路器額定開(kāi)斷電流必須選擇為40kA，在40kA情況下FU的熔斷時(shí)間為即40ms。

熱容量I2t分為熔斷件的I2t和弧前I2t，熔斷件的I2t即在給定時(shí)間間隔內(nèi)電流平方的積分，弧前的I2t既是在熔斷件整個(gè)弧前時(shí)間內(nèi)電流平方的積分，兩者從概念上是不同的。為了保證熔斷器的安全性和可靠性，采用熔斷件的I2t值與被保護(hù)設(shè)備的I2t值進(jìn)行選擇校驗(yàn)熔斷件，要比用弧前時(shí)間—電流特性選擇校驗(yàn)更為合理和科學(xué)。從廠家給定的熔斷件熱容量曲線可以看出250A的熔斷件I2t值為1.2×106（A2?s）（熔斷時(shí)間為0.7s），而斷路器在0.7s時(shí)間內(nèi)承受的熱容量為352×0.7=0.857×106（A2?s），小于此時(shí)斷路器3s時(shí)額定熱容量。因此可以滿(mǎn)足要求，對(duì)斷路器是安全的。

　　由于FR的非線型性和快速導(dǎo)通特性，將操作過(guò)電壓限制在2.5倍額定相電壓之內(nèi)，其殘壓值約為U=2.5×（根號(hào)）2?Ue /3=28.17kV，殘壓值小于運(yùn)行中發(fā)電機(jī)及變壓器的沖擊耐壓值29.3kV，更小于出廠時(shí)的沖擊耐壓值（額定電壓為13.8kV），因此FR可避免發(fā)電機(jī)及變壓器免受操作過(guò)電壓的沖擊，假如沒(méi)有FR的作用，其限流熔斷器的操作過(guò)電壓將達(dá)38kV以上，已經(jīng)大于運(yùn)行中發(fā)電機(jī)及變壓器的最大沖擊耐壓值35.2kV，將會(huì)使設(shè)備受到很大的電壓沖擊而損壞，縮短了使用壽命，影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮和設(shè)備的投資，因此設(shè)備FR的作用是不可低估的。

　　從以上各方面的分析計(jì)算可以看出，F(xiàn)U的額定電流選定為250A是滿(mǎn)足安全性和可選擇性要求的。同時(shí)也必須裝設(shè)FR以限制操作過(guò)電壓。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和實(shí)踐證明，F(xiàn)UR組合保護(hù)裝置有其很大的優(yōu)越性，并已在江埡水電站廠用電系統(tǒng)中成功運(yùn)用，它減少了設(shè)備的誤動(dòng)率，有效的保護(hù)了主要電氣設(shè)備，提高了電站的經(jīng)濟(jì)效益。但在選用該設(shè)備時(shí)，應(yīng)多方案比較，綜合考慮和計(jì)算，既要保證電站安全的安全性，又要保證動(dòng)作的可靠性和選擇性，它不同于一般熔斷器或負(fù)荷開(kāi)關(guān)的選擇。從該電站的選型中可得出以下結(jié)論，也是在通常設(shè)計(jì)中易于忽視的方面/問(wèn)題：

　?。?）對(duì)短路電流較大的電站，在選用普通真空斷路器不能滿(mǎn)足要求時(shí)，可選用負(fù)荷開(kāi)關(guān)或FUR組合保護(hù)裝置，不論選擇哪種設(shè)備，均應(yīng)滿(mǎn)足動(dòng)作的可靠性和可選擇性，以及截流過(guò)電壓對(duì)主要設(shè)備的危害性。

　?。?）FUR組合設(shè)備中FU即高壓限流熔斷器的額定電流選擇不能單純按負(fù)荷電流選擇，應(yīng)充分考慮熔斷時(shí)間與下級(jí)斷路器在動(dòng)作時(shí)間上的配合性，并應(yīng)取得生產(chǎn)廠家準(zhǔn)確的電流—時(shí)間關(guān)系曲線、熱容量曲線等參數(shù)。

　?。?）應(yīng)對(duì)FU的限流性進(jìn)行校驗(yàn)，以便選擇輕型斷路器或負(fù)荷開(kāi)關(guān)、隔離開(kāi)關(guān)等電氣設(shè)備。

　?。?）應(yīng)根據(jù)熔斷時(shí)間計(jì)算（或查曲線）FU的熱容量，該值應(yīng)大于斷路器或負(fù)荷開(kāi)關(guān)在該熔斷時(shí)間內(nèi)的熱容量，且小于其額定時(shí)間內(nèi)的熱容量，確保電氣設(shè)備在熔斷時(shí)間內(nèi)的安全。

　?。?）由于FR的能量轉(zhuǎn)移，降低了操作過(guò)電壓，有效地保護(hù)了主要電氣設(shè)備免受過(guò)電壓的沖擊，但應(yīng)對(duì)FR的殘壓水平與電氣設(shè)備的沖擊耐壓水平進(jìn)行比較校驗(yàn)后，才能確定。

　?。?）如有條件可在發(fā)電機(jī)母線引下線處設(shè)置一組隔離開(kāi)關(guān)，以便于設(shè)備的檢修和更換，同時(shí)不影響機(jī)組的正常運(yùn)行。

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