大容量高速開關(guān)在江都站的應(yīng)用與維護

雍成林 朱承明

（江蘇省江都水利工程管理處，江蘇揚州 225200）

1 工程概述

江都水利樞紐共有4座泵站：一站、二站裝有8臺水泵機組，配1000 kW同步發(fā)電機；三站裝有10臺水泵機組，配1600 kW同步電機；四站裝有7臺水泵機組，配3400 kW同步電機，總裝機容量55800 kW。主接線見圖1，單回路110 kV供電線路，供江都站變電所。該變電所裝有2臺主變，供一站、二站、三站6 kV主電源，由江都站變電所轉(zhuǎn)供110 kV電源至四站專用變電所，該變電所設(shè)有1臺主變，供四站6 kV主電源。原江都站變電所及四站專用變電所是隨江都四站泵站建設(shè)逐步擴建而成的，經(jīng)近40年運用，設(shè)備陳舊老化嚴重。隨著南水北調(diào)東線工程實施，其已不能適應(yīng)年運行8000 h的需要，綜合考慮，易地新建1座變電所。

圖1 江都站電氣主接線簡圖

2 大容量高速開關(guān)應(yīng)用

江都站新建變電所仍設(shè)有3臺主變，正常分列運行，運行方式為：1#主變?yōu)?0000 kVA，向一站、二站供電，并為三站提供備用；2#主變?yōu)?5000 kVA，向三站供電，可為一站、二站提供部分備用，并為三站發(fā)電提供上網(wǎng)通道；3#主變?yōu)?1500 kVA，向四站供電。

根據(jù)江都站所處電網(wǎng)容量和江都站變電所主接線及運行方式，其網(wǎng)絡(luò)阻抗圖見圖2，計算出電網(wǎng)短路電流和主電機反饋電流見表1，其中分為：1#主變供一站、二站；2#主變供三站；1#主變供一站、二站、三站；2#主變供一站、三站或二站、三站；3#主變供四站。由此，6 kV主接線開關(guān)選擇方案有：

（1）按短路時電流直接選擇開關(guān)。優(yōu)點是：主接線簡潔；缺點是：主要開關(guān)的開斷電流達50 kA，原已改造的一站、二站開關(guān)需要全部更換，三站、四站開關(guān)需增大容量，改造費用及三站、四站開關(guān)設(shè)備費用增加太大，粗略估算僅設(shè)備投資增加約450萬元。

圖2 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)幺值阻抗簡圖

表1 江都站6 kV側(cè)短路電流計算表

（2）仍設(shè)電抗器。優(yōu)點是：主接線簡單可靠；缺點是：需建專門的電抗器室，占用空間大。

（3）采用大容量高速開關(guān)。優(yōu)點是：方法簡便、技術(shù)先進、在電力系統(tǒng)已有大量成功應(yīng)用，且體積較小，顯著優(yōu)點是總體投資較少，一臺大容量高速開關(guān)僅需約45萬元，6 kV主接線中開關(guān)容量及費用可大大降低；缺點是：缺乏運行管理經(jīng)驗。

經(jīng)綜合比較，此次江都站變電所選用大容量高速開關(guān)方案。

3 大容量高速開關(guān)基本原理和動作參數(shù)

3.1 大容量高速開關(guān)基本原理

大容量高速開關(guān)原理見圖3，其結(jié)構(gòu)由載流橋體FS、熔斷器FU、非線性電阻FR、電流互感器CT、測控單元等組成。

載流橋體FS由兩梅花銅觸指對接銀焊而成，中間裝有高效炸藥及電雷管，正常流過工作電流，短路故障發(fā)生時接到測控單元的分斷命令后，在1 ms內(nèi)引爆快速斷開；熔斷器FU為高壓限流熔斷器，在FS開斷后，強大的短路電流轉(zhuǎn)入FU中，經(jīng)0.5 msFU熔斷；非線性電阻FR為氧化鋅非線性阻件，在FU熔斷時弧壓作用下由截止變?yōu)閷?dǎo)通，吸收磁能，并把過電壓限制在允許的2.5倍相電壓之內(nèi)；電流互感器為特別設(shè)計，在故障情況下，電流信號基本不失真，不滯后；測控單元用于檢測主電路電流幅值和電流變化率，利用短路時電流變化率比正常時大這一特點，在短路瞬間，向橋體發(fā)出分斷信號，在短路電流尚未達到預(yù)期峰值時，先于故障電路保護裝置和斷路器動作（斷路器全分閘時間一般至少需80～120 ms），迅速切斷電網(wǎng)故障電路。

大容量高速開關(guān)裝置的動作電流波型如圖4所示。一旦短路故障發(fā)生，在 1 ms之內(nèi)截流（t1處），3 ms之內(nèi)斷開（t2處），在電流上升的起始階段（時間少于2 ms）即將短路電流加以限制。此時短路電流只上升到Ip，僅為預(yù)期短路電流峰值的1/3左右，可使最大短路沖擊電流及與系統(tǒng)熱穩(wěn)定有關(guān)的I2t大大降低，使系統(tǒng)的動穩(wěn)定和熱穩(wěn)定初裕度大大提高。

大容量高速開關(guān)的動作條件：大容量高速開關(guān)的動作取決于i（Limit）（曲線3）、電流變化率dt/dt（曲線5），只有在二者同時超過了整定值時，F(xiàn)S才會動作。

圖3 大容量高速開關(guān)原理圖

圖4 參數(shù)整定值示意圖

3.2 大容量高速開關(guān)控制器整定參數(shù)的選擇原則

（1）啟動電流值i（Limit）

電流值的整定原則是：避開設(shè)備的額定電流、過負荷電流以及設(shè)備投入時沖擊電流。

（2）最小動作電流曲線idz

最小動作電流曲線的選擇原則是：避開斷路器開斷電流范圍內(nèi)的短路電流，同時還要避開設(shè)備合閘時的沖擊電流。

（3）電流增長率dt/dt

電流增長率是在最小動作電流曲線上電流幅值等于電流整定值處的斜率。

3.3 大容量高速開關(guān)與傳統(tǒng)的斷路器開斷方式相比具有的特點

（1）額定電流大，可達12 kA。

（2）速動性提高20倍以上。短路電流在1 ms以內(nèi)被截流，3 ms之內(nèi)衰減到零，故障被完全切除。傳統(tǒng)的斷路器保護方式最快也要80 ms，至少為大容量高速開關(guān)的25倍。

（3）系統(tǒng)永遠達不到預(yù)期的沖擊電流，設(shè)備動穩(wěn)定和熱穩(wěn)定的余度不必設(shè)計得過大，可節(jié)省大量資金。截流Ip僅為預(yù)期短路沖擊電流的1/3～1/10，系統(tǒng)承受的電動力大大減少。所通過的I2t比斷路器開斷方式減少了至少500倍，可達數(shù)千倍。

（4）開斷過程中無危害性過電壓；氧化鋅良好的非線性特性，可將開斷過電壓限制在2.5倍的額定相電壓以內(nèi)。

（5）開斷容量可以足夠大。目前能做到240 kA，只需要配置相應(yīng)的非線性電阻來吸收磁能，開斷容量就可以做得足夠大。

（6）由于本裝置引入主電路電流幅值及電流變化率做判據(jù)，靈敏度更高。設(shè)計上采用三個相同的獨立工作的測控部件，以“表決方式”判斷故障的發(fā)生，可靠性更高。

根據(jù)大容量高速開關(guān)裝置原理和特點，江都站變電所大容量高速開關(guān)設(shè)置于主變二次側(cè)6 kV出線處，6 kV系統(tǒng)開關(guān)開斷電流選擇為31.5 kA。大容量高速開關(guān)合理選擇測控單元設(shè)定參數(shù)：啟動電流值≥主變正常和啟動時最大負荷；最小動作電流曲線≥開關(guān)開斷電流減去電機反饋電流；最小動作電流曲線上電流幅值等于電流整定值處的斜率，確保大容量高速開關(guān)在該主變帶正常負載時，在開關(guān)負荷內(nèi)開斷允許故障電流時不動作。

當(dāng)6 kV系統(tǒng)發(fā)生短路故障，其短路電流：電網(wǎng)短路電流加上電機反饋電流≥開關(guān)開斷電流時，測控單元發(fā)出分斷信號，大容量高速開關(guān)在短路故障發(fā)生3 ms內(nèi)迅速開斷切除電網(wǎng)故障電流，然后由故障處開關(guān)切除故障點。

4 大容量高速開關(guān)運行與維護

大容量高速開關(guān)是一種特殊電氣設(shè)備，國家和行業(yè)無維護試驗標(biāo)準(zhǔn)，其在電氣主接線回路中相當(dāng)于開關(guān)和保護裝置的組合體，作用甚至高于開關(guān)。由于在發(fā)生電氣短路故障時，若不能可靠動作，將擴大事故的范圍和損失，甚至影響電網(wǎng)的運行穩(wěn)定；大容量高速開關(guān)在水利系統(tǒng)應(yīng)用較少，缺乏運行管理方面的經(jīng)驗。因此，在日常運用管理中應(yīng)充分掌握其原理和特點，加強運行管理的維護保養(yǎng)，確保大容量高速開關(guān)可靠工作。

4.1 大容量高速開關(guān)控制器動作參數(shù)的整定和定期檢驗

大容量高速開關(guān)動作參數(shù)為：啟動電流值、最小動作電流曲線處電流增長率dt/dt，出廠時由制造廠完成整定和檢驗。投入運行后，運行管理單位應(yīng)配備專用試驗設(shè)備，按制造廠規(guī)定要求和項目定期進行檢驗。

4.2 大容量高速開關(guān)運行期間定期巡視檢查

大容量高速開關(guān)運行期間應(yīng)定期巡視檢查，每班1次。除檢查電氣設(shè)備通常內(nèi)容和要求外，主要是測控單元應(yīng)正常工作，裝置柜上的測控單元指示燈指示應(yīng)正確。

4.3 大容量高速開關(guān)運行注意事項

（1）當(dāng)大容量高速開關(guān)測控柜發(fā)出報警信號時，應(yīng)斷開測控柜的電源，再進行檢查和排除故障，必要時應(yīng)立即請制造廠專業(yè)技術(shù)人員到現(xiàn)場進行處理。

（2）當(dāng)大容量高速開關(guān)測控柜發(fā)出動作信號時，應(yīng)斷開本主回路斷路器和隔離開關(guān)，掛好接地線后，再進行檢查。如確為載流橋體和高壓限流熔斷器因主電源回路而動作，應(yīng)在制造廠專業(yè)技術(shù)人員指導(dǎo)下，更換主回路上的載流橋體和高壓限流熔斷器，并進行試驗。

（3）當(dāng)大容量高速開關(guān)主電路中發(fā)生短路故障，應(yīng)檢查該回路中相應(yīng)開關(guān)保護裝置的動作電流，檢驗和校正大容量高速開關(guān)控制器整定參數(shù)的正確性和大容量高速開關(guān)動作的可靠性。

（4）重要泵站為確保大容量高速開關(guān)在故障或動作后迅速恢復(fù)運行，應(yīng)根據(jù)制造廠要求，配備載流橋體、高壓限流熔斷器及控制部件。備品件應(yīng)儲藏在室內(nèi)干燥的場所，遠離高溫?zé)嵩醇耙兹家妆锲?。儲存有效期?年，到期應(yīng)進行更換。

4.4 大容量高速開關(guān)定期維護

大容量高速開關(guān)投入運行后應(yīng)定期維護檢查，每5年進行1次，或按設(shè)備狀態(tài)和運行實際情況而定。檢查應(yīng)在全部停電狀態(tài)下進行，并專門組織維修檢查，主要檢查內(nèi)容及要求為：

（1）對設(shè)備元器件、控制器、各種接線及指示燈等全面檢查和清理；

（2）制造廠規(guī)定的試驗項目的檢驗；

（3）必要時由制造廠組織或在其指導(dǎo)下進行檢查。

5 結(jié)語

大容量高速開關(guān)額定電流大，開斷能力強，截流小，速度快，是短路容量較大場所快速有效的保護裝置，其應(yīng)用在短路容量不同的場所，可使系統(tǒng)免受沖擊，對設(shè)備的動穩(wěn)定性要求大大降低，從而節(jié)省大量資金。

大容量高速開關(guān)在電氣主接線系統(tǒng)中是一種重要設(shè)備，在發(fā)生短路事故時能否可靠動作，關(guān)系重大，因此，在日常運用管理中要充分掌握其原理和特點，加強運行管理的維護保養(yǎng)，確保大容量高速開關(guān)可靠工作。