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)、高速限流保護開關(guān)、限流保護器、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,后者電阻為毫歐級,故正常運行情況下,主導(dǎo)流母線中的電流幾乎全部流過高壓載流橋體FS。當系統(tǒng)發(fā)生短路事故時,特種電流互感器CT檢測到短路電流信號,將其傳遞給電子控制器ZK,由ZK進行信號的分析和處理。若短路電流信號超過整定值,ZK將發(fā)出點火信號,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,線路上可能會產(chǎn)生瞬時過電壓,此時高能氧化鋅電阻FR對其進行限壓。各部分的動作時序如圖2所示。
圖2中
t=0 短路故障發(fā)生;
t=t1 電子控制器探測到故障并建立點火信號;
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)為熔斷器的燃弧時間。
由此可見,在預(yù)期短路電流遠未發(fā)展到峰值之前,短路電流已經(jīng)被高速切斷。實際通過電力設(shè)備的短路電流的峰值ic在第一個半波被限制到預(yù)期短路電流峰值的(15~45)%,短路電流的持續(xù)時間為5 ms左右,保護了電力系統(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)電機或變壓器等設(shè)備因經(jīng)受不住短路電流電動力的沖擊,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)電機斷路器則價格非常昂貴,而且發(fā)電機斷路器也無限流功能。
大容量高速開關(guān)的開斷時間僅約5ms; 可將短路電流限制到預(yù)期值的15%~45%,可針對預(yù)期短路電流的水平進行整定,使發(fā)電機、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,可開斷預(yù)期值為120~200kA的短路電流,價格遠比國外同類產(chǎn)品便宜。 專用于出口短路等災(zāi)難性短路事故的保護,動作后需更換部件,一般不能重合閘。
由以上比較看出,大容量高速開關(guān)彌補了斷路器的不足,適合于短路電流有可能損壞發(fā)電機變壓器等主設(shè)備時的災(zāi)難性短路事故的保護。在很多情況下是對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,所以正常運行時電抗器被FSR短接而不起作用。短路故障發(fā)生時,F(xiàn)SR高速開斷,將電抗器投入起限流作用。
以一臺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)補償電容器的投資,已經(jīng)裝設(shè)的變電站,可以少投一些補償電容器。有利于改善系統(tǒng)的功率因數(shù)。
②電抗器對母線電壓質(zhì)量有影響,一般會使母線電壓降低4~8%,若遇大型感性負載(如大容量電動機等)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。
③除無功損耗外,電抗器有功損耗也相當可觀,采用FSR后,有功損耗不到300W,年節(jié)約電費約50萬元。從這點上看,F(xiàn)SR起到了節(jié)能降耗的作用,這符合我國節(jié)約能源的國策。
④不影響原有繼電保護裝置的整定,使老變電站改造變得很容易。
⑤原來因顧及電抗器的缺點而不裝設(shè)限流設(shè)備的重要變電站可以放心加裝,進一步保證電力主設(shè)備的安全。
⑥避免采用高阻抗變壓器。
3.2使分段母線并列運行
大容量高速開關(guān)使分段母線閉合運行主接線如圖4所示,在母聯(lián)開關(guān)的位置串接一臺FSR,正常運行時母聯(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,短路電流限制器才動作,隨后母聯(lián)斷路器分斷,使雙母線分裂運行。在國外,這種應(yīng)用方式約占到FSR總應(yīng)用的50%。其優(yōu)點是:
①降低網(wǎng)絡(luò)阻抗,改善電能質(zhì)量;
②變電站擴建或變壓器增容后,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)運行的可能性,提高供電可靠性。
④優(yōu)化負荷分配,增強系統(tǒng)的電壓調(diào)整能力。
3.3發(fā)電機或變壓器出口的短路保護
發(fā)電機出口保護如圖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、大電流試驗室用發(fā)電機、核聚變試驗用發(fā)電機、艦船用發(fā)電機等。在變壓器出口的應(yīng)用主要是那些不要求重合閘的場合。
大容量發(fā)電機出口短路時,由發(fā)電機提供的短路電流的周期分量可超過90~100 kA;進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)電機專用斷路器作為斷路保護,此辦法的缺點是不限流,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險。辦法之二采取發(fā)電機—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是運行不靈活,變壓器高壓側(cè)斷路器操作/動作頻繁、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辦法的缺點。
3.4 發(fā)電廠分支母線和廠高變的短路保護
發(fā)電廠分支母線和廠高變的短路保護如圖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,從發(fā)電機和系統(tǒng)兩方面同時向故障點提供短路電流,短路電流值比發(fā)電機出口短路時更大,考慮非周期分量后可達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。如裝機容量1200MVA的某發(fā)電廠運行十余年來其6臺廠高變已經(jīng)全部燒壞過一次,每次廠高變的事故都導(dǎo)致發(fā)電機停機,給發(fā)電廠和社會造成巨大的損失。裝備限流器后,當發(fā)生災(zāi)難性短路時,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
地區(qū)火/水發(fā)電廠上網(wǎng)保護如圖7所示,某一個可以提供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)運行,節(jié)約了工程投資。
結(jié)論
大容量快速開關(guān)因其獨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,在提供先進的技術(shù)方案的同時,大大減少工程投資,具有很高的性能價格比。