大容量高速開關(guān)裝置（FSR）的原理分析及應(yīng)用探討

1.原理分析

大容量高速開關(guān)(FSR)又被稱為故障電流限制器、快速開關(guān)、高速限流保護(hù)開關(guān)、限流保護(hù)器、FCL(Fault Current Limiter)等。主要作用是在短路電流未上升到峰值之前，將其高速開斷。FSR原理接線圖見圖1。

圖中高壓載流橋體FS和特種高壓限流熔斷器FU在電氣上是并聯(lián)的，由于前者電阻為微歐級(jí)，后者電阻為毫歐級(jí)，故正常運(yùn)行情況下，主導(dǎo)流母線中的電流幾乎全部流過高壓載流橋體FS。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路事故時(shí)，特種電流互感器CT檢測(cè)到短路電流信號(hào)，將其傳遞給電子控制器ZK，由ZK進(jìn)行信號(hào)的分析和處理。若短路電流信號(hào)超過整定值，ZK將發(fā)出點(diǎn)火信號(hào)，通過高壓脈沖變壓器MB，使高壓載流橋體FS在幾百微秒的時(shí)間內(nèi)高速斷開;在其斷口開斷的過程中，故障電流轉(zhuǎn)移到特種高壓限流熔斷器FU中，由FU 最后開斷短路電流，切除故障。在FU熔斷過程中，線路上可能會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)過電壓，此時(shí)高能氧化鋅電阻FR對(duì)其進(jìn)行限壓。各部分的動(dòng)作時(shí)序如圖2所示。

圖2中

t=0 短路故障發(fā)生;

t=t1 電子控制器探測(cè)到故障并建立點(diǎn)火信號(hào);

t=t2 快速隔離器打開，電流轉(zhuǎn)移到熔斷器中;

t=t3 熔斷器開始起弧;

t=t4 熔斷器內(nèi)電弧熄滅，故障電流被徹底開斷，(t3～t4)為熔斷器的燃弧時(shí)間。

由此可見，在預(yù)期短路電流遠(yuǎn)未發(fā)展到峰值之前，短路電流已經(jīng)被高速切斷。實(shí)際通過電力設(shè)備的短路電流的峰值ic在第一個(gè)半波被限制到預(yù)期短路電流峰值的(15～45)%，短路電流的持續(xù)時(shí)間為5 ms左右，保護(hù)了電力系統(tǒng)主設(shè)備免受損壞。大容量高速開關(guān)的技術(shù)參數(shù)見表1。

2.大容量高速開關(guān)與斷路器的比較

斷路器的開斷時(shí)間約為60～200ms; 斷路器開斷過程中不限流，雖可切除短路故障，但發(fā)電機(jī)或變壓器等設(shè)備因經(jīng)受不住短路電流電動(dòng)力的沖擊，仍有可能損壞;普通斷路器開斷能力很有限,額定短路開斷電流小于50kA，在發(fā)電機(jī)出口等很多情況下不能滿足要求;采用開斷能力特大的發(fā)電機(jī)斷路器則價(jià)格非常昂貴，而且發(fā)電機(jī)斷路器也無限流功能。

大容量高速開關(guān)的開斷時(shí)間僅約5ms; 可將短路電流限制到預(yù)期值的15%～45%，可針對(duì)預(yù)期短路電流的水平進(jìn)行整定，使發(fā)電機(jī)、變壓器等主設(shè)備不因高幅值短路電流的沖擊而損壞。

大容量高速開關(guān)開斷能力強(qiáng)，可開斷預(yù)期值為120～200kA的短路電流，價(jià)格遠(yuǎn)比國(guó)外同類產(chǎn)品便宜。 專用于出口短路等災(zāi)難性短路事故的保護(hù)，動(dòng)作后需更換部件，一般不能重合閘。

由以上比較看出，大容量高速開關(guān)彌補(bǔ)了斷路器的不足，適合于短路電流有可能損壞發(fā)電機(jī)變壓器等主設(shè)備時(shí)的災(zāi)難性短路事故的保護(hù)。在很多情況下是對(duì)付短路電流的唯一技術(shù)方案。

3.工程應(yīng)用

3.1旁路限流電抗器

旁路限流電抗器接線如圖3所示。將FSR與限流電抗器或變電站原來裝備的限流電抗器并聯(lián)。由于FSR阻抗約為0.1mΩ(其中直流電阻約20μΩ)，而電抗器阻抗一般在0.15～0.9Ω(即150 mΩ～900 mΩ)之間，所以正常運(yùn)行時(shí)電抗器被FSR短接而不起作用。短路故障發(fā)生時(shí)，F(xiàn)SR高速開斷，將電抗器投入起限流作用。

以一臺(tái)12kV/1500A，電抗率8%的中型限流電抗器為例，其阻抗約0.36歐姆，三相容量約2500kVA，其中有功損耗約50～100kW。接入FSR后：

①消除了電抗器巨大的無功損耗?？梢怨?jié)約裝設(shè)補(bǔ)償電容器的投資，已經(jīng)裝設(shè)的變電站，可以少投一些補(bǔ)償電容器。有利于改善系統(tǒng)的功率因數(shù)。

②電抗器對(duì)母線電壓質(zhì)量有影響，一般會(huì)使母線電壓降低4～8%，若遇大型感性負(fù)載(如大容量電動(dòng)機(jī)等)投入，則電壓降落更大。裝備FSR后上述電壓損失消除了，這無疑將使電壓質(zhì)量得到提高，而提高電能質(zhì)量一直是電力系統(tǒng)追求的目標(biāo)。

③除無功損耗外，電抗器有功損耗也相當(dāng)可觀，采用FSR后,有功損耗不到300W，年節(jié)約電費(fèi)約50萬元。從這點(diǎn)上看，F(xiàn)SR起到了節(jié)能降耗的作用，這符合我國(guó)節(jié)約能源的國(guó)策。

④不影響原有繼電保護(hù)裝置的整定，使老變電站改造變得很容易。

⑤原來因顧及電抗器的缺點(diǎn)而不裝設(shè)限流設(shè)備的重要變電站可以放心加裝，進(jìn)一步保證電力主設(shè)備的安全。

⑥避免采用高阻抗變壓器。

3.2使分段母線并列運(yùn)行

大容量高速開關(guān)使分段母線閉合運(yùn)行主接線如圖4所示，在母聯(lián)開關(guān)的位置串接一臺(tái)FSR，正常運(yùn)行時(shí)母聯(lián)斷路器處于合閘位置，而不是傳統(tǒng)的母聯(lián)斷路器處于分閘位置。僅在出線發(fā)生短路、且預(yù)期短路電流值超過FSR整定值時(shí)，短路電流限制器才動(dòng)作，隨后母聯(lián)斷路器分?jǐn)?，使雙母線分裂運(yùn)行。在國(guó)外，這種應(yīng)用方式約占到FSR總應(yīng)用的50%。其優(yōu)點(diǎn)是：

①降低網(wǎng)絡(luò)阻抗，改善電能質(zhì)量;

②變電站擴(kuò)建或變壓器增容后，無須更換所有出線斷路器，從而節(jié)約大量投資;

③提供閉環(huán)運(yùn)行的可能性，提高供電可靠性。

④優(yōu)化負(fù)荷分配，增強(qiáng)系統(tǒng)的電壓調(diào)整能力。

3.3發(fā)電機(jī)或變壓器出口的短路保護(hù)

發(fā)電機(jī)出口保護(hù)如圖5所示，將FSR與普通斷路器一起直接串聯(lián)到發(fā)電機(jī)或變壓器出口。該應(yīng)用不僅適用于中、小型水/火電廠，也適用于化工冶金企業(yè)的自備發(fā)電機(jī)、大電流試驗(yàn)室用發(fā)電機(jī)、核聚變?cè)囼?yàn)用發(fā)電機(jī)、艦船用發(fā)電機(jī)等。在變壓器出口的應(yīng)用主要是那些不要求重合閘的場(chǎng)合。

大容量發(fā)電機(jī)出口短路時(shí)，由發(fā)電機(jī)提供的短路電流的周期分量可超過90～100 kA;進(jìn)一步考慮短路電流中含有約50～60% 的非周期分量，普通斷路器已經(jīng)無法使用。解決的辦法之一是采用昂貴的發(fā)電機(jī)專用斷路器作為斷路保護(hù)，此辦法的缺點(diǎn)是不限流，相關(guān)的電氣設(shè)備仍然要冒很大的被短路電流損壞的風(fēng)險(xiǎn)。辦法之二采取發(fā)電機(jī)—變壓器組死連接，二者之間用封閉母線的方式，以期避免相間短路的發(fā)生，此種接線方式的缺點(diǎn)是運(yùn)行不靈活，變壓器高壓側(cè)斷路器操作/動(dòng)作頻繁、壽命短，不便于檢修等。辦法之三就是采用FSR+普通斷路器，此辦法克服了上述兩個(gè)辦法的缺點(diǎn)。

3.4 發(fā)電廠分支母線和廠高變的短路保護(hù)

發(fā)電廠分支母線和廠高變的短路保護(hù)如圖6所示，將限流器與普通斷路器一起串聯(lián)到發(fā)電廠廠用電分支回路上。此用法適用于大、中型水電廠及火力發(fā)電廠。

當(dāng)發(fā)電廠分支母線發(fā)生短路、或廠高變的高壓側(cè)或低壓側(cè)發(fā)生短路時(shí)，從發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)兩方面同時(shí)向故障點(diǎn)提供短路電流，短路電流值比發(fā)電機(jī)出口短路時(shí)更大，考慮非周期分量后可達(dá)150～200 kA。盡管發(fā)電廠的廠高變采用了高阻抗變壓器及分裂繞組變壓器，但是各大型發(fā)電廠的廠高變?nèi)匀活l頻損壞。如裝機(jī)容量1200MVA的某發(fā)電廠運(yùn)行十余年來其6臺(tái)廠高變已經(jīng)全部燒壞過一次，每次廠高變的事故都導(dǎo)致發(fā)電機(jī)停機(jī)，給發(fā)電廠和社會(huì)造成巨大的損失。裝備限流器后，當(dāng)發(fā)生災(zāi)難性短路時(shí)，由限流器快速切斷短路電流，即可有效地防止廠高變的損壞。

3.5 地區(qū)火/水發(fā)電廠上網(wǎng)保護(hù)

地區(qū)火/水發(fā)電廠上網(wǎng)保護(hù)如圖7所示，某一個(gè)可以提供15kA短路電流的地區(qū)火/水電廠在上網(wǎng)后，使原先的斷路器的短路開斷能力不足。為此，在上網(wǎng)電廠的出口安裝一臺(tái)限流器，可不更換原先裝備的斷路器不用增容改造便可繼續(xù)運(yùn)行，節(jié)約了工程投資。

結(jié)論

大容量快速開關(guān)因其獨(dú)有的快速可靠的切斷能力，使其可以在發(fā)電及配電系統(tǒng)大量推廣應(yīng)用，在提供先進(jìn)的技術(shù)方案的同時(shí)，大大減少工程投資，具有很高的性能價(jià)格比。