大容量高速开关装置在电力系统中的应用与节能

大容量高速开关装置在电力系统中的应用与节能摘要：本文介绍了在发电厂电力系统中，为了限制短路电流而采用串联电抗器所带来的问题，重点描述了解决其问题的方案及其优点，并通过工程实践介绍了大容量高速开关(FSR)在与电抗器并联中所起的节能作用。关键词：串联电抗器，FSR大容量高速开关。1前言有些发电厂的发电机电压母线上接有容量不大的厂用电负荷或直配馈线线路。有些变电所接有负荷不大的供电线路或所用电负荷，按照系统实际短路电流来选择这些出线断路器往往不经济；并且断开容量较小的断路器，价格随断开容量的不同其差别较小，而断开容量较大的断路器，价格随断开容量的不同差别则很大。例如，断开容量为25kA的断路器每台价格为2.2万元左右，断开容量为31.5kA的断路器每台价格为2.5万元左右；而断开容量为40kA的断路器每台价格为5.3万元左右，断开容量为50kA的断路器每台价格则高达8.5万元左右。目前大容量断路器生产厂家较少，而且短路电流达到某种程度时，也找不到相应的断路器，所以，在短路容量比较大的系统中，就选择断路器而言，经济上造成浪费，实施上造成困难。为此需要采用串联电抗器来限制短路电流，这样不仅可以降低短路电流对系统的冲击，同时可以降低断路器的额定开断容量，节约投资费用。但是串入限流电抗器后却带来了如下的问题：（1）正常运行时在电抗器上产生电压降，而这个电压降随负荷的变化而变化，从而给调节供电电压、保证供电质量造成困难；（2）较大电动机启动时，电抗器的电压降会加剧，影响其他负荷的运行；（3）电抗器长期串联在供电系统中，将产生巨大的电能损耗；（4）电抗器强大的漏磁场，使周围的金属构架、钢筋混凝土产生附加热损耗和振动，影响电抗器的运行寿命。2解决问题的方案2.1解决思路为了解决以上这些问题，经过技术咨询和实地考察，发现利用国内一种大容量高速开关装置（简称FSR装置）可消除串联电抗器所带来的一系列影响。具体解决方法是将FSR装置并联在电抗器两端，如图2。正常运行时，串联电抗器被FSR短接，工作电流基本上全部从FSR装置中流过，串联电抗器不通过电流，从而可消除串联限流电抗器后所产生的不良影响，进而解决了投入限流电抗器时带来的一系列问题；当系统发生短路时，FSR装置快速分断，串联电抗器投入主回路中限制短路电流，而短路故障仍由故障处断路器开断。由此可以看出，将FSR与电抗器并联后，可解决串联限流电抗器后所带来的问题，并保留电抗器限制短路电流的功能。2.2FSR装置的工作原理该装置主要由桥体FS，熔断器FU，非线性电阻FR及测控单元等组成，称FSR，如图3。（1）桥体FS：因FS电阻为uΩ级，而熔断器FU电阻为mΩ级，故正常情况下工作电流经桥体FS流过；短路发生后FSR接到测控单元的分断命令后，在0.15ms之内爆破断开，电流转移到熔断器FU。（2）熔断器FU：FS断开后，短路电流全部转移到熔断器，在0.5ms以内熔断器熔断，并产生足够的弧压。（3）非线性电阻FR：熔断器熔断时产生的弧压使线性电阻FR导通，吸收电感中存在的磁能及电源注入的能量，使熔断器顺利熄弧，同时把开断时的过电压限制在2.5倍的额定相电压之内。（4）测控单元：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整定值时，判断为短路发生，采用三个相同的独立工作的CPU部件，以“三取二”表决方式判断，向桥体发出分断命令。2.3FSR装置的特点（1）载流量大：目前国内真空断路器额定电流只能做到4kA，而FSR装置最大额定电流可做到12kA，完全可满足目前电力系统的需要。（2）开断速度快：传统断路器继电保护故障切除时间长达80～140ms，而FSR装置短路电流在1ms以内被截流，3ms之内衰减为零，故障被完全切除，短路故障切除速度提高20倍以上。若将FSR并联在电抗器两端，则当出线发生短路时，在断路器动作之前将电抗器投入，达到了限流目的，满足了较小断开容量断路器的需要。（3）开断过程中无危害性过电压：氧化锌良好的非线性特性，可将开断过电压限制在2.5倍的额定相电压之内。（4）开断容量可以足够大：目前可做到240kA，足以满足一般情况下切断短路电路的需要。（5）灵敏度更高：故障时电流变化率增加明显，该装置引入了电流变化率作判断，灵敏度更高。3工程实际应用3.1一次系统图系统一次接线见图4，其中虚线框内为大容量高速开关装置（FSR）3大容量高速开关装置的特点大容量高速开关装置与传统的断路器开断方式相比，具有以下显著特点：1．速动性提高20倍以上。短路电流在1ms以内被截流，3ms之内衰减到零，故障被完全切除，而传统的断路器保护方式最快也要75ms。2．短路电流在初始上升阶段即加以限制，永远达不到短路冲击电流的峰值，设备的动稳定和热稳定的裕度不必设计得过大，可节省大量资金。3．解决了电网扩建带来的短路电流增加的难题。4．优化了配电设备联网过程的解决方案。5．降低了配电设备的费用。电力设备可免受强大的短路电流的冲击，机械强度不必做得很大。开断快、截流小，电力设备无须考虑热稳定问题，导体尺寸不必很大。4大容量高速开关装置的应用上述提到的特点必须通过实际的应用才能得以体现。下面探讨大容量高速开关装置的几种实际应用。4．1FSR应用在发电机出口发电机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）。这会给发电机造成很大的危害，同时对其保护设备有更高的要求。用FSR保护发电机出口端短路故障，具有很好的保护作用，因为在短路电流最大值未通过发电机时，熔断器已切除了故障。FSR也可以应用在厂用变分支、励磁变分支，有效避免变压器因穿越性故障而损坏的事故，延长设备的使用寿命，提高系统设备在动稳定方面的安全裕度。4．2FSR与电抗器并联在正常运行时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。在新供用电系统设计时，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。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继续运行而不受影响。4．3FSR应用于母联在电网连接点上装设限流熔断器将电网实现闭环运行，正常情况下可以大大提高供电可靠性，而一旦发生短路故障，可以由限流熔断器快速地限流并切断电网间的连接实行开环运行，联网前各分支电网已经装设的短路保护设备可以不作任何增容改造，实现最经济的电网互连。4．4FSR应用于线路FSR应用于供电线路中，若线路中带有敏感用户，可防止线路短路电压降而引起敏感用户失控，一条线路短路后，该路的大容量高速开关装置断开，其他线路继续供电。5结论由于FSR组成器件的物理特性决定了FSR的快速性和限流性，因此与传统的断路器相比较，不存在机械拒动，可靠性高。应用FSR可以使发电机、变压器及短路器不再受短路电流峰值的冲击，延长了设备使用寿命。