從核電廠公用配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)討論高壓廠用電系統(tǒng)中F&C方案的技術(shù)特點(diǎn)

陳懷宇 / 王志堅(jiān)

(中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840)

從核電廠公用配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)討論高壓廠用電系統(tǒng)中F&C方案的技術(shù)特點(diǎn)

陳懷宇 / 王志堅(jiān)

(中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840)

以核電廠公用配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，論述了F&C方案的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，通過(guò)與斷路器方案的比選，進(jìn)一步探討F&C方案技術(shù)特點(diǎn)，為高壓廠用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一個(gè)更好的解決方案。

公用配電系統(tǒng) 斷路器 F&C

0 引言

本文以核電廠高壓廠用電系統(tǒng)中的全廠公用配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，闡述對(duì)象為百萬(wàn)千瓦級(jí)核電廠，其高壓廠用電系統(tǒng)三相短路電流接近50kA，采用F&C方案，即高壓限流熔斷器(F)與接觸器(C)組合回路，接觸器完成回路的控制功能，而保護(hù)功能由熔斷器和接觸器配合完成。這種F&C的組合方案在某種特定場(chǎng)合能更好地完成其配電、保護(hù)與控制功能，特點(diǎn)鮮明。本文通過(guò)F&C方案與斷路器方案的技術(shù)比選，進(jìn)一步深入進(jìn)行F&C方案的技術(shù)探討。

1 核電廠公用配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)詳述

核電廠高壓廠用電設(shè)備按功能分為4類，分別為：?jiǎn)卧獜S用電設(shè)備、常備廠用電設(shè)備、應(yīng)急廠用電設(shè)備和全廠公用廠用電設(shè)備。其中，全廠公用廠用電設(shè)備不專屬于某一單元機(jī)組，而是要參與到兩個(gè)或更多機(jī)組的運(yùn)行中。這類設(shè)備有2個(gè)特點(diǎn)：1)大量的泵和風(fēng)機(jī)設(shè)備，包括大量的中低壓配電變壓器，回路多；2)供電保證要求復(fù)雜，不同功能類型的設(shè)備，各自的供電電源保證不盡相同。

本文列舉了某核電廠全廠公用配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)例(見(jiàn)圖1)。設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵點(diǎn)有3個(gè)：1)整體開(kāi)關(guān)柜按短路電流50kA設(shè)計(jì)考慮；2)進(jìn)線和聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)選用額定電流為1 600A的斷路器方案；3)饋線回路均選用F&C方案，實(shí)施如下。

圖1 某核電廠公用配電系統(tǒng)主接線圖

1)電源情況

設(shè)定電流為三相交流，用In表示。其中，電壓和頻率可以同時(shí)或分別變化,也可以連續(xù)或不連續(xù)變化。中壓系統(tǒng)中性點(diǎn)絕緣。電源其他參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表1。

表1 電源參數(shù)設(shè)定

2)斷路器柜參數(shù)

斷路器柜設(shè)計(jì)參數(shù)情況詳見(jiàn)表2。

表2 斷路器柜參數(shù)設(shè)定

其尺寸要求為：寬≤800mm、深≤1 500mm、高≤2 200mm。額定操作順序?yàn)椋悍?3 min-合-0.1s-分-3 min-合-0.1s-分。當(dāng)接地開(kāi)關(guān)在閉合位置時(shí)，應(yīng)能承受1 s熱穩(wěn)定電流，而不會(huì)危及到操作人員。

3)熔斷器-接觸器柜(F-C柜)

熔斷器-接觸器柜(F-C柜)設(shè)計(jì)參數(shù)情況詳見(jiàn)表3。

表3 熔斷器—接觸器柜參數(shù)設(shè)定

其尺寸要求為：寬≤400mm、深≤1 500mm、高≤2 200mm。高分?jǐn)嗳蹟嗥鲬?yīng)有與使用條件一致的開(kāi)斷和關(guān)合電流的能力。接地開(kāi)關(guān)應(yīng)能承受和熔斷器相同的峰值電流,且對(duì)運(yùn)行人員不會(huì)造成傷害。

4)電壓互感器柜

電壓互感器設(shè)計(jì)參數(shù)情況詳見(jiàn)表4。

表4 電壓互感器參數(shù)設(shè)定

其尺寸要求為：寬≤800mm、深≤1 500mm、高≤2 200mm。配備合適的熔斷器及消除諧振裝置。

基于對(duì)公用配電系統(tǒng)所帶用電設(shè)備的分析，進(jìn)線回路選擇了斷路器方案，饋線回路選用了F&C方案。

2 核電廠公用配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析和比選

高壓廠用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成的保護(hù)包括過(guò)負(fù)荷保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和單相接地故障保護(hù)等。這些保護(hù)均通過(guò)配置的綜合保護(hù)裝置發(fā)出相應(yīng)的命令，作用于相關(guān)執(zhí)行元件。

1)對(duì)于斷路器方案來(lái)說(shuō)，作用的執(zhí)行元件只有斷路器；對(duì)于F&C方案，執(zhí)行元件包括熔斷器和接觸器，通過(guò)在兩者之間設(shè)置撞針裝置，使熔斷器在過(guò)流保護(hù)中熔斷時(shí)觸發(fā)的撞針動(dòng)作發(fā)出一個(gè)指令讓接觸器跳閘，實(shí)現(xiàn)了可靠短路保護(hù)和便捷的啟停操作，技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。

2)采用斷路器方案，配置的電纜要進(jìn)行熱穩(wěn)定校驗(yàn)，對(duì)于50kA的預(yù)計(jì)短路故障電流來(lái)說(shuō)，電纜選型的最小截面要求是3×(1×300)mm2；而采用F&C方案，則無(wú)需熱穩(wěn)定校驗(yàn)，對(duì)于變壓器不超過(guò)1 250kVA，電機(jī)不超過(guò)750kW的饋線回路，經(jīng)計(jì)算，電纜選用3×50mm2(統(tǒng)一出線規(guī)格型號(hào)的原則)、核電廠公用配電系統(tǒng)供電電纜的長(zhǎng)度不少于10km，可節(jié)省電纜投資百萬(wàn)元以上，且每面F&C柜比斷路器柜便宜30%左右，經(jīng)濟(jì)性可觀。

綜上所述，F(xiàn)&C方案與斷路器方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選明確，F(xiàn)&C方案優(yōu)勢(shì)明顯。而且，其另一優(yōu)勢(shì)在于F&C柜的柜體尺寸僅為斷路器柜的一半，這對(duì)于節(jié)省空間、減少占地面積來(lái)說(shuō)是很有幫助的。尤其對(duì)于對(duì)空間有限制條件的場(chǎng)所，F(xiàn)&C方案是一個(gè)很好的待選方案。

3 F&C方案的技術(shù)特點(diǎn)探討

高壓廠用電系統(tǒng)中，除進(jìn)線和聯(lián)絡(luò)外，饋線回路主要包括電動(dòng)機(jī)回路和配電變壓器饋線回路，技術(shù)特點(diǎn)：正常運(yùn)行工況時(shí)，回路的額定電流只有數(shù)十或數(shù)百A，而電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流在十幾ms的瞬態(tài)過(guò)程中，其峰值一般可達(dá)額定電流的10～12倍；瞬態(tài)過(guò)程后，便是額定電流4～6倍數(shù)值的啟動(dòng)電流，其持續(xù)時(shí)間視電動(dòng)機(jī)所帶機(jī)械設(shè)備的不同而為6～60s不等。變壓器接通時(shí)的勵(lì)磁涌流一般可達(dá)額定電流的十幾倍，持續(xù)時(shí)間常在100ms以內(nèi)。

對(duì)比核電廠的高壓廠用電系統(tǒng)，各種故障電流值很大，百萬(wàn)千瓦級(jí)核電廠的高壓廠用電預(yù)計(jì)承受的三相短路電流需按50kA設(shè)計(jì)考慮。鑒于這種情況，是完全使用更大開(kāi)斷電流的斷路器還是采用另外的設(shè)計(jì)方案，這是設(shè)計(jì)師需要思考的問(wèn)題。本文即在核電廠公用配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例上采用了高壓熔斷器與接觸器的組合回路，即F&C方案。

3.1 F&C回路的基本工作原理

如圖1所示，F(xiàn)&C回路由一個(gè)限流熔斷器與一個(gè)接觸器串接而成。廠用電回路發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流最大值(峰值)一般發(fā)生在短路后0.01s處，由于F&C回路中的熔斷器動(dòng)作速度極快(當(dāng)短路電流在40kA以上時(shí)，熔斷器全熔斷時(shí)間僅為0.005～0.008s)，所以當(dāng)回路發(fā)生短路時(shí)，短路電流還未上升到峰值前就被及時(shí)切斷，于是在F&C回路之后流經(jīng)的僅是一個(gè)峰值較預(yù)期短路電流要小很多的電流(又稱為“實(shí)際短路電流”)，這就是限流熔斷器的限流原理。

而接觸器的開(kāi)斷電流是有限的，為了與接觸器的參數(shù)配套，希望將熔斷器動(dòng)作后(即經(jīng)限流后)的回路實(shí)際短路電流峰值控制在接觸器的要求許可范圍內(nèi)。并通過(guò)分析限流熔斷器時(shí)間-電流特性，在熔斷器流過(guò)一個(gè)特定的大電流時(shí)，有所謂“拐點(diǎn)電流”的物理概念，即當(dāng)流過(guò)熔斷器的電流大于拐點(diǎn)電流時(shí)，熔斷器的動(dòng)作時(shí)間越快越好，而電流小于這個(gè)拐點(diǎn)時(shí)，將與接觸器保護(hù)動(dòng)作配合。

為使F&C回路的保護(hù)作用與斷路器保護(hù)基本相同，在接觸器上應(yīng)加裝一些必要的保護(hù)繼電器。根據(jù)F&C的相關(guān)樣本可知，限流熔斷器的時(shí)間-電流特性曲線和接觸器的繼電器反時(shí)限特性曲線有一交點(diǎn)：小于這一交點(diǎn)的故障電流由接觸器斷開(kāi)，這也決定了接觸器應(yīng)有一個(gè)熱穩(wěn)定電流參數(shù)，即4s/6kA(事例中的F&C回路)的熱穩(wěn)定電流；這個(gè)點(diǎn)若落在限流熔斷器的時(shí)間-電流特性曲線和接觸器的繼電器反時(shí)限特性曲線共有的坐標(biāo)系中，應(yīng)大于這兩條曲線的交點(diǎn)。很顯然，這個(gè)點(diǎn)離兩曲線的交點(diǎn)越遠(yuǎn)，F(xiàn)&C回路越能各司其職地完成斷路器回路的保護(hù)、配電功能。

2.4.1 pH 長(zhǎng)順縣弱堿性(pH7.5～8.5)耕地面積最大(圖3a)，為262.9 km2，約占全縣耕地的60%，主要分布在廣順鎮(zhèn)、白云山鎮(zhèn)；強(qiáng)酸性(pH<4.5)耕地面積最小，僅為2.03 km2，占全縣耕地的0.46%，主要分布在長(zhǎng)寨街道辦、擺所鎮(zhèn)和廣順鎮(zhèn)。這是由于該區(qū)域內(nèi)土壤成土母質(zhì)為多為砂頁(yè)巖、砂巖和石英砂巖等風(fēng)化殘積物，故其pH相對(duì)較低；而由白云巖、泥質(zhì)白云巖、白云灰?guī)r及石灰?guī)r坡風(fēng)化殘積物形成的土壤以水田為主，由于受人為耕作因素的影響，pH相對(duì)較高。

3.2 F&C回路與電動(dòng)機(jī)回路的配合

F&C回路對(duì)電動(dòng)機(jī)回路的保護(hù)與斷路器相似。

將電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流與F&C回路限流熔斷器的時(shí)間-電流特性曲線和接觸器的繼電器反時(shí)限特性曲線繪在同一坐標(biāo)系中。電動(dòng)機(jī)回路的過(guò)流及過(guò)負(fù)荷電流均在接觸器額定開(kāi)斷電流(6kA)的范圍內(nèi)。而在短路時(shí)，預(yù)期短路電流很大，熔斷器可以很快熔斷，以取代原來(lái)斷路器的跳閘作用。這里要說(shuō)明的一點(diǎn)是，雖然熔斷器動(dòng)作后不能再利用，但其價(jià)格較低，加上回路的短路概率也很小，所以由熔斷器跳閘斷開(kāi)回路比斷路器方案較經(jīng)濟(jì)些。

另外，為保證單根熔斷器動(dòng)作后不致造成電動(dòng)機(jī)兩相運(yùn)行，除應(yīng)裝設(shè)回路缺相運(yùn)行保護(hù)外，還應(yīng)在熔斷器上裝設(shè)熔體熔斷微動(dòng)開(kāi)關(guān)。當(dāng)其中一相熔斷器熔斷后，微動(dòng)開(kāi)關(guān)直接動(dòng)作于接觸器使其跳閘。

3.3 F&C回路與變壓器回路的配合

采用F&C回路對(duì)變壓器回路供電，在變壓器低壓側(cè)端子或變壓器內(nèi)部故障時(shí)，將視故障電流的大、小分別由熔斷器或接觸器動(dòng)作跳閘；當(dāng)變壓器的高壓側(cè)回路發(fā)生短路故障時(shí)，由熔斷器斷開(kāi)回路。將變壓器勵(lì)磁涌流及低壓側(cè)電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)電流與F&C回路限流熔斷器的時(shí)間-電流特性曲線和接觸器的繼電器反時(shí)限特性曲線繪在同一坐標(biāo)系的圖中：首先需保證限流熔斷器的時(shí)間-電流特性曲線不應(yīng)與變壓器勵(lì)磁涌流及低壓側(cè)電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)電流曲線交叉，接觸器的熱穩(wěn)定電流點(diǎn)(事例中的F&C回路為4s/6kA)適當(dāng)且較遠(yuǎn)離限流熔斷器的時(shí)間-電流特性曲線。通過(guò)曲線可合理配置為變壓器回路供電的F&C回路方案。

F&C回路能否正常運(yùn)行以及其保護(hù)配合是否合適，在很大程度上依靠接觸器，因此在接觸器選擇時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)。

1) 接觸器的開(kāi)斷電流足夠大且額定電流適當(dāng)小。

接觸器的額定電流并不是越大越好，因?yàn)轭~定電流越大，截流開(kāi)斷電流值也越大，在開(kāi)斷小回路電流時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓越高。實(shí)例中的F&C方案選取的接觸器額定電流為400A，對(duì)開(kāi)斷小電流負(fù)荷回路合適；依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，接觸器的開(kāi)斷電流為額定電流的8～10倍(即4kA)，如果開(kāi)斷電流做到了6kA或更高，則F&C回路的預(yù)期開(kāi)斷電流及適用容量還可更高。

2) 接觸器的選型可配置帶機(jī)械鎖扣型操作機(jī)構(gòu)。

這個(gè)目的是在操作電源(交流或直流)瞬時(shí)失壓時(shí)接觸器不會(huì)跳閘，保持了供電的連續(xù)性和可靠性。

另外，F(xiàn)&C回路的另一主要元件——熔斷器，在選型上要求也有兩點(diǎn)。

1) 對(duì)熔斷器的時(shí)間-電流特性要求

熔斷器都有最小開(kāi)斷電流，也就是說(shuō)，一旦電流上升到這個(gè)點(diǎn)的電流值以上時(shí)熔斷器應(yīng)能可靠熔斷，即I2T的熔體發(fā)熱量概念，電流低于這個(gè)值，散熱和發(fā)熱平衡，熔體將不會(huì)熔斷。由于接觸器本身加裝了過(guò)載及過(guò)流等保護(hù)，為躲開(kāi)電動(dòng)機(jī)較大的啟動(dòng)電流和變壓器的勵(lì)磁涌流，該電流值宜大一些，這樣一來(lái)，使得熔斷器的時(shí)間-電流特性曲線略陡一點(diǎn)為好。

2) 熔斷器限流特性的選擇

限流特性是高壓限流熔斷器的一個(gè)重要參數(shù)，也是衡量該產(chǎn)品可否用于F&C回路的一個(gè)重要因素，這個(gè)值的物理意義在于：通過(guò)熔斷器的限流熔斷作用，回路的實(shí)際短路電流應(yīng)可以滿足接觸器的動(dòng)穩(wěn)定條件。這就要求在保證接觸器安全運(yùn)行的同時(shí)，熔斷器動(dòng)作時(shí)間要≤0.01s。

而且，除上述兩條之外，熔斷器的參數(shù)選擇還應(yīng)關(guān)注其額定電流、回路啟動(dòng)電流與熔斷器額定電流選擇配合曲線等因素。一般建議熔斷器的校核條件為：其額定電流至少為1.3倍的電動(dòng)機(jī)額定電流。

3.5 F&C方案的適用容量和回路

經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，國(guó)外F&C回路最大可用于2 000kW的電動(dòng)機(jī)和2 000kVA的變壓器。為安全起見(jiàn)，國(guó)內(nèi)將國(guó)產(chǎn)的F&C回路適用容量定為1 200kW及以下的電動(dòng)機(jī)回路和1 600kVA及以下的變壓器回路。這樣，接觸器動(dòng)作曲線與熔斷器動(dòng)作曲線的“交接點(diǎn)電流”在2kA左右，事例中，該值要求為6kA，裕度較大。

從分析看，提高F&C回路適用容量的最根本辦法，仍是開(kāi)發(fā)出有更大開(kāi)斷電流的小額定電流接觸器。

F&C回路在斷開(kāi)故障回路時(shí)，此回路最好是感性的。因此時(shí)的故障電流由較小值上升，限流型熔斷器在該電流未到達(dá)最大值時(shí)就將回路斷開(kāi)，從而發(fā)揮其高限流作用。一般電動(dòng)機(jī)回路均符合上述要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

F&C方案已廣泛應(yīng)用于核電廠高壓廠用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)F&C回路的深入剖析，設(shè)計(jì)配置更合理，技術(shù)特點(diǎn)更鮮明，更具選型優(yōu)勢(shì)。本文通過(guò)百萬(wàn)千瓦級(jí)核電廠高壓廠用電公用配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)事例，詮釋了F&C方案的技術(shù)特點(diǎn)，旨在推進(jìn)F&C方案在工程高壓配電系統(tǒng)中的應(yīng)用，亦希望可供同行參考、評(píng)估，共同致力于高壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)提升。

[1] 《公用配電系統(tǒng)手冊(cè)》，CP03XESHXTS02.

[2] 《BOP中壓配電盤技術(shù)條件》,1188T5048.

Discussion on the Technical Characteristics of F&C Scheme in High-voltage Auxiliary Power System by Studying the Design of Common Distribution System in Nuclear Power Plant

Chen Huaiyu / Wang Zhijian

Taking design of common distribution system of nuclear power plant as an example. The design characteristics of F&C scheme are discussed. What’s more, the technical characteristics of the F&C scheme are further discussed by comparing with the circuit breaker scheme, which provides a better solution for the design of high voltage power plant system program.

common distribution system, circuit breaker, F&C