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用于大型同步发电机出口及厂用变和励磁变分支的大容量快速开断装置合肥凯立控制技术有限公司报告人：黄冬华FUR高压限流熔断器组合保护装置和FSR大容量快速开断装置是由安徽凯立公司研制的专利技术，它具有断流能力强，开断速度快等特点,是发电机出口厂用变、励磁变分支回路等短路容量较大的场所的快速有效的保护装置。6.1、高压限流熔断器组合装置作为励磁系统的短路保护，主接线示意图如下：励磁变或厂高变高压侧发生短路时的短路电流波形示意图使用FUR以后，当出现励磁变或厂高变一次侧短路时，如上图所示，熔断器FU在t1时间内熔断截流，并产生弧压将电流迫入非线性电阻FR中快速衰减。此时短路电流只上升到Ip，仅为预期短路冲击电流的1/5～1/10。FU的作用是限流截流，产生弧压；FR的作用是限制弧压，吸收磁场能量，减轻对FU的压力，并快速将电流衰减至零。由于FU的限流性和快速性，采用了FUR后原系统将具有如下的优越性：1)由于FU的快速性和限流性是由物理特性所决定，而无机械拒动作的可能，所以可靠性高。2)由于FU的限流性，主机、主变及真空断路器不再受峰值电流冲击，延长了使用寿命，大大提高了系统设备在动、热稳定方面的安全裕度。3）励磁变高压侧加装FUR装置不但在励磁变内部匝间短路、励磁变高压侧短路时能快速有效保护。同时当功率柜内部出现短路、励磁变低压交流侧短路时也能快速有效保护。4)由于FU的快速性，使故障切除时间大大缩短，更能有效地保护主机和主变压器。大量的研究结果表明，只有在20ms之内切除故障，才能避免变压器的损坏事故。5)FR限制了FU的过电压，使操作过电压小于2.5倍相电压。FR吸收了FU开断过程中主机、主变及线路磁场能量和开断过程中电源提供的能量。使FU开断时的电弧能量降低至允许值以下，从而使开断容量及可靠性大大提高。高压限流熔断器组合保护装置由安徽凯立科技股份有限公司研制，额定电流能做到400A，开断电流高达160KA。该装置于1997年11月获得国家专利证书，在发电机励磁变，厂用电分支获得大量应用。诸如：葛洲坝电厂、吉林白山电厂、四川宝珠寺电厂、贵州东风电厂、乌江渡电厂、黄河万家寨电厂、江西万安电厂、新安江电厂、山西神头火电厂等近300多家大中型电厂。6.2、大容量高速开关装置大容量快速开断装置具有额定电流大（12KA）、断流能力强（240KA），开断速度快（3ms以内切除故障）等特点。对于传统的断路器保护方式来说，大容量快速开断装置在开断技术上是一个重大突破。1传统的断路器保护方式存在的问题：（1）开断的时间长、冲击电流大；如图一所示短路故障后，继电保护动作时间为30～40ms,断路器固有分闸时间为40～80ms，燃弧时间要10～20ms,故障切除时间长达80～140ms。对于50HZ的电网，短路后5～10ms之内达到冲击电流最大值。早在断路器开断之前，系统的设备就已经受到了3～4次大电流的冲击。发电机出口短路时，短路电流达6～7Ie，冲击电流高达15-18Ie。火电厂厂用变分支短路（厂用电率10％）时，短路电流达110-170Ie，冲击电流高达280～450Ie，水电厂厂用变（厂用电率1％）或励磁变分支短路时，短路电流达1100～1700Ie，冲击电流高达2800～4500Ie。（２）由于冲击大，时间长，使得在系统设计时，就要对发电机、变压器、互感器、母线、绝缘子、金属构架等设备在动稳定性和热稳定性方面要考虑留用足够的余度，这就必然要增加很多投资。（３）断路器开断能力不足（63KA，最大80KA）发电机、厂用电分支无保护。目前，在系统中并网运行的200MW及以上大型机组已经很多，600MW及以上机组也已投产多年，这些大型机组发生出口短路时，电流超过80KA，厂用变或励磁变分支短路时，电流将超过100KA，发电机出口或厂用分支无法选到合适的断路器，人们不得不耗费很多资金把发电机至变压器之间设计成封闭母线，还有的厂用变压器、励磁变压器由三个单相变压器组成，意在尽量避免出口短路，但是当发电机出口发生间歇性弧光接地时，非故障相避雷器动作或绝缘薄弱环节击穿等等，都会导致发电机出口相间短路的发生，后果不堪设想。大容量快速开断装置主要由桥体FS、熔断器FU、非线性电阻FR及测控单元等组成，简称FSR。测控单元定期检测电流和电流变化率，短路时向桥体发出分断命令。正常时的工作电流经桥体流过，接到测控单元的分断命令后，桥体在0.15ms之内断开，电流转移到熔断器。经0.5ms熔断器熔断，产生的弧压使非线性电阻导通。非线性电阻导通后吸收磁能，并把过电压限制在允许的2.5倍相电压之内。额定电流大（可做到12KA），开断能力强（240KA），截流时间短。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。传统的断路器保护方式最快也要75ms，至少为FSR的25倍。2）系统永远达不到预期的冲击电流，设备的动稳定和热稳定的余度不必设计得过大，可节省大量资金。截流值Ip仅为预期短路冲击电流的1/7～1/6左右，系统承受的电动力大大减少。所通过的I2t比断路器开断方式减少了至少500倍，可达上千倍。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倍的额定相电压以内。4）开断容量可以足够大。目前可以做到240KA，一般只需要160kA。只需要配置相应的非线性电阻来吸收磁能，开断容量就可以做得足够大。此外由于本装置引入电流变化率做判据，灵敏度更高。设计上采用三个相同的独立工作的测控部件，以“2/3表决方式”判断故障的发生，可靠性更高。2大容量快速开断装置的应用1）大型发电机出口、厂用变分支或励磁变分支能得到快速有效保护。下列图中所示装置为FSR，具体采用何种装置视额定电流而定。额定电流小于500A的场合可使用FUR装置。2）如图六所示，发电机出口短路时，一般由系统提供的短路电流比发电机提供的短路电流大。起始瞬间短路电流周期分量为6～7Ie，冲击电流可达15～18Ie。例如300MW机组，IK=73.7～84.7KAIimp=198～227.6KA如图七所示，厂用变压器或发电机励磁变高压端部附近短路时，短路电流是由发电机和系统提供。对于火电厂（厂用电率约为10％），短路电流为厂用变压器额定电流的110～170倍。300MW机组IK=128.7～194.7KA，冲击电流高达345.8～523.2KA，是额定电流的304.9～439.3倍。而对于厂用电率为1％左右的水电厂厂用电分支或发电机励磁变分支，则短路电流为厂用变或励磁变额定电流的1100～1700倍，冲击电流达2800～4500倍。厂用变、励磁变受到这样大的短路电流的冲击，必然会发生爆炸。只有FUR及FSR才能开断，采用了FUR及FSR后，实际冲击电流却远没有达到预期短路冲击电流，发电机、变压器、厂用变或励磁变得到了快速有效的保护。3）采用FSR装置可大大减少了系统扩建或联网运行所需的投资。无论系统扩建或联网运行，都涉及到图八所示变压器的并列运行。它可以带来如下好处:a.提高了供电可靠性；b.减少了正常运行和大型电动机启动时的电压降；c.图八有利于根据负荷情况决定所投入的并列变压器运行的台数以便实现经济运行。如图九所示，新投入的发电机与原有电网的并列运行与上述情况类似。对于图八和图九，如果用母联断路器并列运行，则会使负荷出口短路时，短路电流由IK1增加为IK=IK1+IK2,带来如下麻烦：a．原有断路器开断能力不足,需要更换,须增加投资;b．为与母联断路器继电保护配合,原有负荷的继电保护须再延时0.5s;c．原有系统设备需要重新检验动热稳定性。如在图八和图九所示的系统中,用FSR取代并列运行的联络断路器,则上述麻烦都可避免,且可保留并列运行带来的好处。4）FSR装置与电抗器并联是最经济有效的限流方案。有些发电厂的机端母线上接有容量不大的厂用电负荷或直配线路(如图十、图十一),还有些变电所接有负荷不大的供电线路或所用电负荷。按照系统的实际短路电流来选择这些负荷断路器,往往很不经济,为此需要采用电抗器限制短路电流。但串入电抗器后,却存在如下问题：a．正常运行时在电抗器上产生电压降，而这个电压降随负荷变化，给调节供电电压质量造成困难；b．较大电动机启动时，电抗器上的电压降会加剧，将影响其它负荷的运行；c．电抗器长期串联在供电系统中，将产生巨大的电能损耗；d．电抗器强大的漏磁场，将使周围的金属构架、钢筋混凝土产生附加热损耗和振动，影响运行寿命。将FSR与电抗器并联后，可解决上述问题，并保留电抗器的限制短路电流的功能。3结论（1）氧化锌非线性电阻与熔断器并联，可使开断能力大大提高，是开断技术的一个重大突破。（2）大容量快速开断装置额定电流大，开断能力强，截流小，速度快，是发电机出口、厂用变、励磁变分支等短路容量较大的场所的快速有效的保护装置。对于短路容量不同的场所，应用FUR和FSR后，可使系统免受冲击，对设备的动稳定性和热稳定性要求大大降低，从而节省大量资金。（3）采用FSR与电抗器串联的限流方案，可提高供电可靠性，并可带来巨大的经济效益。如果考虑与FSR并联后，电抗器可只按短时冲击电流设计，从而电抗器造价大大降低。这两种装置目前已在冶金、煤炭、石化及供电企业得到了广泛的推广和应用。