大容量高速開(kāi)關(guān)裝置及其應(yīng)用

1、大容量高速開(kāi)關(guān)裝置及其應(yīng)用1概述開(kāi)關(guān)又稱斷路器，是電力系統(tǒng)中最重要的電力設(shè)備之一。它在電 網(wǎng)中的基本任務(wù)是：第一，根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行的需要，將一部分線路或電 力設(shè)備投入或退出運(yùn)行，以此對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行方式進(jìn)行控制，在這種情 況下，開(kāi)關(guān)的觸頭承載的是負(fù)荷電流；第二，當(dāng)線路或電力設(shè)備發(fā)生 故障時(shí)，開(kāi)關(guān)可將故障部分從電網(wǎng)中快速切除，以保證無(wú)故障部分正 常運(yùn)行，保護(hù)電網(wǎng)的安全，此時(shí)，開(kāi)關(guān)的觸頭承載的是故障電流或短 路電流。短路電流的最大峰值往往出現(xiàn)在第一個(gè)周波內(nèi)，而且非周期分量 很大，通常幾個(gè)周波內(nèi)不過(guò)零。同時(shí)，斷路器的動(dòng)作時(shí)間相對(duì)于故障 發(fā)生的時(shí)刻有一定的滯后，再加上繼電保護(hù)所形成的時(shí)間差，在開(kāi)斷 時(shí)間內(nèi)短路

2、電流的峰值已經(jīng)數(shù)次沖擊發(fā)電機(jī)、斷路器和變壓器等被保 護(hù)設(shè)備，經(jīng)過(guò)幾次重大事故，就有可能造成設(shè)備的損壞，進(jìn)而增加運(yùn) 行維護(hù)和檢修的成本。另外，斷路器正常工作時(shí)的額定電流與發(fā)生短 路故障時(shí)的短路電流相差過(guò)大，尤其是現(xiàn)代電力系統(tǒng)容量的不斷增 大，短路電流值也不斷上升，強(qiáng)大的短路電流產(chǎn)生的電動(dòng)力破壞性更 大，斷路器必須按照開(kāi)斷短路電流進(jìn)行選擇，設(shè)備、線路及斷路器本 身就要求設(shè)計(jì)有足夠的熱穩(wěn)定、動(dòng)穩(wěn)定裕度，設(shè)備的投資就會(huì)加大， 造價(jià)過(guò)高。因此，隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，越來(lái)越需要斷路器能夠 在故障瞬時(shí)就發(fā)現(xiàn)并以最快的速度切斷短路電流，避免被保護(hù)設(shè)備及 開(kāi)關(guān)本身受到巨大的熱沖擊和電動(dòng)力作用。2 大容量高速開(kāi)

3、關(guān)裝置的構(gòu)成與原理21 大容量高速開(kāi)關(guān)裝置的構(gòu)成大容量高速開(kāi)關(guān)裝置由橋體FS高壓限流熔斷器FU非線性電阻FR及測(cè)控單元組成，簡(jiǎn)稱FSR211橋體 橋體與高壓限流熔斷器、非線性電阻并聯(lián)運(yùn)行。橋體內(nèi)包含爆炸 裝置和載流導(dǎo)體，橋體的設(shè)計(jì)電阻為高壓限流熔斷器的幾十分之一， 因此正常時(shí)從橋體中流過(guò)的電流為從高壓限流熔斷器中流過(guò)的電流的 幾十倍，而工作電流基本為兩者之和，在不增加高壓限流熔斷器額定 電流的情況下，整個(gè)裝置的額定電流得到了提高。短路時(shí)，測(cè)控單元 發(fā)出的脈沖信號(hào)點(diǎn)燃爆炸裝置，在 0.15ms0.2ms 后載流導(dǎo)體從中部斷 開(kāi)，在爆炸沖擊力的作用下，分開(kāi)的載流導(dǎo)體向六個(gè)方向卷曲，形成 隔離斷口，

4、將電流轉(zhuǎn)移至高壓限流熔斷器。212 高壓限流熔斷器 高壓限流熔斷器具有限流性和快速性。由于故障電流的最大峰值 往往出現(xiàn)在第一半波，當(dāng)橋體斷開(kāi)后全部短路電流轉(zhuǎn)移到高壓限流熔 斷器，熔斷器在第一個(gè)大半波內(nèi)短路電流還未來(lái)得及升起就完成汽 化、擊穿、間隙產(chǎn)生電弧和熄滅電弧，限制并強(qiáng)制性地切斷短路電流(tv 2ms，使電流達(dá)不到預(yù)期的短路電流峰值。如圖 3所示，當(dāng)短 路電流上升到 Ip 時(shí)，熔斷器熔斷并截流，截止電流 Ip 僅為預(yù)期電流 峰值的 15%左右，將故障電流對(duì)發(fā)、變電設(shè)備的電動(dòng)力和熱效應(yīng)沖擊大 幅度減輕。高壓限流熔斷器產(chǎn)生的弧壓可以通過(guò)非線性電阻加以限 制，通過(guò)與橋體在阻值上的配合，解決高壓限

5、流熔斷器容量不足的問(wèn) 題，提高整個(gè)裝置的應(yīng)用范圍。213 非線性電阻高能氧化鋅非線性電阻具有非線性伏安特性，同時(shí)能夠抑制瞬時(shí) 過(guò)電壓，當(dāng)其端電壓低于某一值時(shí)，其中的電流幾乎為零；超過(guò)這一 值時(shí)，其電流將隨著端電壓 U 的增大而急劇增加。其非線性特性見(jiàn)圖 4 所示。在高壓限流熔斷器熔斷時(shí)產(chǎn)生的弧壓，使氧化鋅非線性電阻導(dǎo) 通吸收電感中儲(chǔ)存的磁能及電源注入的能量，氧化鋅非線性電阻導(dǎo) 通，使高壓限流熔斷器順利熄弧。同時(shí)氧化鋅電阻良好的非線性特 性，可以把開(kāi)斷時(shí)的過(guò)電壓限制在 2.5 倍額定相電壓之內(nèi)，使電器設(shè) 備不再受到大電流的沖擊。214 測(cè)控單元 測(cè)控單元是一個(gè)電子邏輯控制器，隨時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)電流瞬時(shí)

6、值 i 和 電流變化率 di/dt ，一旦有短路故障發(fā)生，當(dāng) i 和 di/dt 大于整定值 時(shí)，電子邏輯控制器會(huì)向橋體中的爆炸裝置發(fā)出脈沖點(diǎn)火信號(hào)。檢測(cè) 電流變化率的功能由一空心電流互感器實(shí)現(xiàn)，避免了帶鐵芯電流互感 器因?yàn)榇棚柡投鸩ㄐ问д?，同時(shí)又可將測(cè)量控制線路與主電路隔 離。22 大容量高速開(kāi)關(guān)裝置的原理 當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，主電路中的電流幅值 i 和電流變化率 di/dt 超過(guò)整定值，測(cè)控單元判斷有短路電流，向橋體中發(fā)送電脈沖引爆爆 炸裝置，載流導(dǎo)體斷開(kāi)，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(nèi)熔斷，產(chǎn)生的弧壓由高能氧化鋅非線性電阻限制并 吸收。在大容量高速開(kāi)關(guān)裝置完

7、成了短路斷開(kāi)功能后，與熔斷器配合的 負(fù)荷開(kāi)關(guān)只要求能夠開(kāi)斷額定電流和一般過(guò)載電流，對(duì)關(guān)合短路電流及承受短路電流的動(dòng)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性方面則無(wú)要求。 3 大容量高速開(kāi) 關(guān)裝置的特點(diǎn)大容量高速開(kāi)關(guān)裝置與傳統(tǒng)的斷路器開(kāi)斷方式相比，具有以下顯 著特點(diǎn)：(1) 速動(dòng)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，而傳統(tǒng)的斷路器保護(hù)方式最快也要 75ms。(2) 短路電流在初始上升階段即加以限制，永遠(yuǎn)達(dá)不到短路沖擊 電流的峰值，設(shè)備的動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定的裕度不必設(shè)計(jì)得過(guò)大，可節(jié)省 大量資金。(3) 解決了電網(wǎng)擴(kuò)建帶來(lái)的短路電流增加的難題。( 4)優(yōu)化了配電設(shè)備聯(lián)網(wǎng)過(guò)程的解決方

8、案。 (5)降低了配電設(shè)備的費(fèi)用。電力設(shè)備可免受強(qiáng)大的短路電流的 沖擊，機(jī)械強(qiáng)度不必做得很大。開(kāi)斷快、截流小，電力設(shè)備無(wú)須考慮 熱穩(wěn)定問(wèn)題，導(dǎo)體尺寸不必很大。3 大容量高速開(kāi)關(guān)裝置的應(yīng)用 上述提到的特點(diǎn)必須通過(guò)實(shí)際的應(yīng)用才能得以體現(xiàn)。下面探討大 容量高速開(kāi)關(guān)裝置的幾種實(shí)際應(yīng)用。3. 1FSF應(yīng)用在發(fā)電機(jī)出口發(fā)電機(jī)出口端或其附近發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流的幅值大，從 短路開(kāi)始到電流第一次過(guò)零經(jīng)歷的時(shí)間長(zhǎng)(大約需要20150mS。這會(huì)給發(fā)電機(jī)造成很大的危害，同時(shí)對(duì)其保護(hù)設(shè)備有更高的要求。用FSR保護(hù)發(fā)電機(jī)出口端短路故障，具有很好的保護(hù)作用，因?yàn)?在短路電流最大值未通過(guò)發(fā)電機(jī)時(shí)，熔斷器已切除了故障。F

9、SF也可以應(yīng)用在廠用變分支、勵(lì)磁變分支，有效避免變壓器因穿越性故障而損壞的事故，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，提高系統(tǒng)設(shè)備在動(dòng) 穩(wěn)定方面的安全裕度。3. 2FSF與電抗器并聯(lián)在正常運(yùn)行時(shí)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(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電壓降。短路時(shí) FSR快速斷開(kāi)，負(fù)荷側(cè)斷路器 的開(kāi)斷電流受電抗器限制到允許范圍。在新供用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可加大電抗器阻抗，使負(fù)荷側(cè)斷路器的 開(kāi)斷電流進(jìn)一步減小，降低造價(jià)。線路短路時(shí)，F(xiàn)SR快速斷開(kāi)，將電抗器投入，電抗器上的殘壓可設(shè)計(jì)得足以維持重要負(fù)荷繼續(xù)運(yùn)行而不受影響。3. 3FSR應(yīng)用于母聯(lián)在電網(wǎng)連接點(diǎn)上裝設(shè)限流熔斷器將電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)行，正常情況 下可以大大提高供電可靠性，而一旦發(fā)生短路故障，可以由限流熔斷 器快速地限流并切斷電網(wǎng)間的連接實(shí)行開(kāi)環(huán)運(yùn)行，聯(lián)網(wǎng)前各分支電網(wǎng) 已經(jīng)裝設(shè)的短路保護(hù)設(shè)備可以不作任何增容改造，實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)的電網(wǎng) 互連。3. 4FSR應(yīng)用于線路FSR應(yīng)用于供電線路中，若線路中帶有敏感用戶，可防止線路短 路電壓降而引起敏感用戶失控，一條線路短路后，該路的大容量高速 開(kāi)關(guān)裝置斷開(kāi)，其他線路繼續(xù)供電。4 結(jié)論由于FS