大容量高速開關(guān)裝置及其應(yīng)用

1、大容量高速開關(guān)裝置及其應(yīng)用1概述開關(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)運行的需要，將一部分線路或電 力設(shè)備投入或退出運行，以此對電網(wǎng)的運行方式進行控制，在這種情 況下，開關(guān)的觸頭承載的是負荷電流；第二，當(dāng)線路或電力設(shè)備發(fā)生 故障時，開關(guān)可將故障部分從電網(wǎng)中快速切除，以保證無故障部分正 常運行，保護電網(wǎng)的安全，此時，開關(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)在第一個周波內(nèi)，而且非周期分量 很大，通常幾個周波內(nèi)不過零。同時，斷路器的動作時間相對于故障 發(fā)生的時刻有一定的滯后，再加上繼電保護所形成的時間差，在開斷 時間內(nèi)短路

2、電流的峰值已經(jīng)數(shù)次沖擊發(fā)電機、斷路器和變壓器等被保 護設(shè)備，經(jīng)過幾次重大事故，就有可能造成設(shè)備的損壞，進而增加運 行維護和檢修的成本。另外，斷路器正常工作時的額定電流與發(fā)生短 路故障時的短路電流相差過大，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，強大的短路電流產(chǎn)生的電動力破壞性更 大，斷路器必須按照開斷短路電流進行選擇，設(shè)備、線路及斷路器本 身就要求設(shè)計有足夠的熱穩(wěn)定、動穩(wěn)定裕度，設(shè)備的投資就會加大， 造價過高。因此，隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，越來越需要斷路器能夠 在故障瞬時就發(fā)現(xiàn)并以最快的速度切斷短路電流，避免被保護設(shè)備及 開關(guān)本身受到巨大的熱沖擊和電動力作用。2 大容量高速開

3、關(guān)裝置的構(gòu)成與原理21 大容量高速開關(guān)裝置的構(gòu)成大容量高速開關(guān)裝置由橋體FS高壓限流熔斷器FU非線性電阻FR及測控單元組成，簡稱FSR211橋體 橋體與高壓限流熔斷器、非線性電阻并聯(lián)運行。橋體內(nèi)包含爆炸 裝置和載流導(dǎo)體，橋體的設(shè)計電阻為高壓限流熔斷器的幾十分之一， 因此正常時從橋體中流過的電流為從高壓限流熔斷器中流過的電流的 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，整個裝置的額定電流得到了提高。短路時，測控單元 發(fā)出的脈沖信號點燃爆炸裝置，在 0.15ms0.2ms 后載流導(dǎo)體從中部斷 開，在爆炸沖擊力的作用下，分開的載流導(dǎo)體向六個方向卷曲，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，熔斷器在第一個大半波內(nèi)短路電流還未來得及升起就完成汽 化、擊穿、間隙產(chǎn)生電弧和熄滅電弧，限制并強制性地切斷短路電流(tv 2ms，使電流達不到預(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，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，將故障電流對發(fā)、變電設(shè)備的電動力和熱效應(yīng)沖擊大 幅度減輕。高壓限流熔斷器產(chǎn)生的弧壓可以通過非線性電阻加以限 制，通過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 題，提高整個裝置的應(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，同時能夠抑制瞬時 過電壓，當(dāng)其端電壓低于某一值時，其中的電流幾乎為零；超過這一 值時，其電流將隨著端電壓 U 的增大而急劇增加。其非線性特性見圖 4 所示。在高壓限流熔斷器熔斷時產(chǎn)生的弧壓，使氧化鋅非線性電阻導(dǎo) 通吸收電感中儲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。同時氧化鋅電阻良好的非線性特 性，可以把開斷時的過電壓限制在 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 測控單元 測控單元是一個電子邏輯控制器，隨時檢測系統(tǒng)電流瞬時

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，電子邏輯控制器會向橋體中的爆炸裝置發(fā)出脈沖點火信號。檢測 電流變化率的功能由一空心電流互感器實現(xiàn)，避免了帶鐵芯電流互感 器因為磁飽和而引起波形失真，同時又可將測量控制線路與主電路隔 離。22 大容量高速開關(guān)裝置的原理 當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時，主電路中的電流幅值 i 和電流變化率 di/dt 超過整定值，測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，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。在大容量高速開關(guān)裝置完

7、成了短路斷開功能后，與熔斷器配合的 負荷開關(guān)只要求能夠開斷額定電流和一般過載電流，對關(guān)合短路電流及承受短路電流的動穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性方面則無要求。 3 大容量高速開 關(guān)裝置的特點大容量高速開關(guān)裝置與傳統(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，而傳統(tǒng)的斷路器保護方式最快也要 75ms。(2) 短路電流在初始上升階段即加以限制，永遠達不到短路沖擊 電流的峰值，設(shè)備的動穩(wěn)定和熱穩(wěn)定的裕度不必設(shè)計得過大，可節(jié)省 大量資金。(3) 解決了電網(wǎng)擴建帶來的短路電流增加的難題。( 4)優(yōu)化了配電設(shè)備聯(lián)網(wǎng)過程的解決方

8、案。 (5)降低了配電設(shè)備的費用。電力設(shè)備可免受強大的短路電流的 沖擊，機械強度不必做得很大。開斷快、截流小，電力設(shè)備無須考慮 熱穩(wěn)定問題，導(dǎo)體尺寸不必很大。3 大容量高速開關(guān)裝置的應(yīng)用 上述提到的特點必須通過實際的應(yīng)用才能得以體現(xiàn)。下面探討大 容量高速開關(guān)裝置的幾種實際應(yīng)用。3. 1FSF應(yīng)用在發(fā)電機出口發(fā)電機出口端或其附近發(fā)生短路故障時，短路電流的幅值大，從 短路開始到電流第一次過零經(jīng)歷的時間長(大約需要20150mS。這會給發(fā)電機造成很大的危害，同時對其保護設(shè)備有更高的要求。用FSR保護發(fā)電機出口端短路故障，具有很好的保護作用，因為 在短路電流最大值未通過發(fā)電機時，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，延長設(shè)備的使用壽命，提高系統(tǒng)設(shè)備在動 穩(wěn)定方面的安全裕度。3. 2FSF與電抗器并聯(lián)在正常運行時FSR將電抗器短接，避免了電抗器巨大的電能損耗 和大型電動機啟動時的電壓降。短路時 FSR快速斷開，負荷側(cè)斷路器 的開斷電流受電抗器限制到允許范圍。在新供用電系統(tǒng)設(shè)計時，可加大電抗器阻抗，使負荷側(cè)斷路器的 開斷電流進一步減小，降低造價。線路短路時，F(xiàn)SR快速斷開，將電抗器投入，電抗器上的殘壓可設(shè)計得足以維持重要負荷繼續(xù)運行而不受影響。3. 3FSR應(yīng)用于母聯(lián)在電網(wǎng)連接點上裝設(shè)限流熔斷器將電網(wǎng)實現(xiàn)閉環(huán)運行，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)間的連接實行開環(huán)運行，聯(lián)網(wǎng)前各分支電網(wǎng) 已經(jīng)裝設(shè)的短路保護設(shè)備可以不作任何增容改造，實現(xiàn)最經(jīng)濟的電網(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 開關(guān)裝置斷開，其他線路繼續(xù)供電。4 結(jié)論由于FS