紫坪鋪電廠FUR組合保護裝置的選擇與參數(shù)設(shè)計

王 中 元

(四川省紫坪鋪開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610091)

0 引 言

水電廠的廠用變分支和勵磁變分支,一般都接在發(fā)電機出口處,此處通常不設(shè)斷路器保護,讓廠用變分支、勵磁變分支與發(fā)電機出口的離相封閉母線硬連接,采用單相設(shè)備,盡量避免相間短路的可能性,一旦發(fā)生短路也可由發(fā)電機或發(fā)變組的大差動來保護。事實上,它不能快速切除故障, 限制短路電流,尤其不能反映廠高變、勵磁變內(nèi)部故障,直接影響設(shè)備壽命和電廠的安全。隨著電力技術(shù)的不斷進步, 高壓限流熔斷器組合保護裝置(簡稱FUR)以其體積小、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、保護性能優(yōu)越等特點,在國內(nèi)外獲得廣泛應(yīng)用。

1 紫坪鋪電廠短路電流計算

1.1 一次系統(tǒng)圖及等效電路圖

紫坪鋪電廠單機一次系統(tǒng)圖見圖1(以4號機組為例)。其中紅色線框內(nèi)為后加裝的高壓限流熔斷器組合保護裝置FUR，包括限流熔斷器FU、氧化鋅電阻FR。等效電路圖見圖2。

1.2 短路電流計算

標(biāo)幺值計算：

主變4B：X4B=0.146×(100/240)=0.0608

發(fā)電機4F:X4F=0.201×(100/190)×0.875=0.0926

廠變4CB：X4CB=0.078 5×(100/1.6)

圖1 一次系統(tǒng)圖

圖2 等效電路圖

=4.9063

勵磁變4LB：X4LB=0.061 4×(100/2.04)

=3.0098

13.8 kV母線短路時：

發(fā)電機提供的短路電流有效值:

主變壓器提供的短路電流為：

K1短路點預(yù)期短路電流為:

IK=I4F+I4B=113.89 kA

預(yù)期短路電流峰值為：

預(yù)期短路沖擊電流值為：

4CB廠用變低壓側(cè)短路反應(yīng)到高壓側(cè)的電流為：

=0.847kA=847A

4LB勵磁變低壓側(cè)短路反應(yīng)到高壓側(cè)的電流為：

=1.374 kA

2 紫坪鋪電廠原一次系統(tǒng)存在的問題

通過以上計算,我們可以看出當(dāng)廠高變和勵磁變高壓側(cè)發(fā)生短路時，系統(tǒng)各設(shè)備提供的短路電流的有效值為113.89 kA，預(yù)期短路沖擊電流值可達到296.3 kA。廠高變高壓側(cè)的預(yù)期短路電流有效值是廠高變額定電流的1294倍，遠遠超出了廠高變允許的承受能力。如果廠高變內(nèi)高壓側(cè)套管附近發(fā)生短路，在如此強大的短路電流沖擊下，必將發(fā)生變壓器的爆炸事故(勵磁變同理)。

由于斷路器實際開斷時間(繼電保護動作的時間20 ms與斷路器的切除時間40 ms之和)大于60 ms，所以，在短路故障切除以前，主機、主變都將受到3個周波以上大的短路電流的沖擊，幾次這樣大的沖擊必然對設(shè)備帶來很大的損壞而且影響其使用壽命。

若加裝FUR裝置后，短路電流可由FUR開斷(某FUR開斷電流可達到160 kA)。

3 紫坪鋪電廠選擇FUR的必要性

針對以上情況，紫坪鋪電廠決定在原系統(tǒng)中廠高變和勵磁變高壓側(cè)加裝FUR。

使用FUR以后，當(dāng)出現(xiàn)廠用變和勵磁變一次側(cè)短路時，熔斷器FU在t1時間內(nèi)熔斷截流，并產(chǎn)生弧壓將電流迫入非線性電阻FR中快速衰減。此時短路電流只上升到Ip，僅為預(yù)期短路沖擊電流的1/5～1/10。FU的作用是限流截流，產(chǎn)生弧壓；FR的作用是限制弧壓，吸收磁場能量，減輕對FU的壓力，并快速將電流衰減至零。

由于FU的限流性和快速性，采用了FUR后原系統(tǒng)將具有如下的優(yōu)越性：

(1)由于FU的限流性，設(shè)備不再遭受短路電流的沖擊。延長了發(fā)電機、變壓器等設(shè)備的使用壽命，大大提高了系統(tǒng)設(shè)備在動、熱穩(wěn)定方面的安全裕度。

(2)由于FU的快速性，使故障切除時間大大縮短，更能有效地保護主機和主變壓器。大量的研究結(jié)果表明，只有在20 ms之內(nèi)切除故障，才能避免變壓器的損壞事故。

(3)由于FUR的動作及其獨特的快速性和限流性是由其物理特性決定的，因而無機械拒動和誤動的可能，所以可靠性很高。

(4)FR限制了過電壓，使操作過電壓小于2.5倍相電壓。FR吸收了FU開斷過程中的能量，使FU開斷時的電弧能量降低至允許值以下，從而大大提高開斷可靠性。

4 紫坪鋪電廠FUR的參數(shù)設(shè)計

4.1 FUR組合保護裝置設(shè)計中應(yīng)堅持的原則

(1)在FUR組合保護裝置的應(yīng)用設(shè)計前,應(yīng)先進行系統(tǒng)的短路電流計算,對保護設(shè)置方案進行技術(shù)及經(jīng)濟分析,以確定是否選用FUR組合保護裝置。

(2)在選擇FUR組合設(shè)備的參數(shù)時,應(yīng)取得生產(chǎn)廠家準(zhǔn)確的電流―時間關(guān)系曲線、熱容量(I2t)曲線等各種技術(shù)參數(shù)圖表,為FUR額定參數(shù)的選擇及校驗做好準(zhǔn)備。

(3)在選擇FU額定電流時,不能單純按負(fù)荷電流進行選擇,還應(yīng)充分考慮變壓器突然合閘時的磁化沖擊電流的影響和與上一級保護斷路器在動作時間上的配合性(即其熔斷時間應(yīng)大于上一級的動作時間)，這是非常重要的。

(4)在FU的額定電流選定后,還應(yīng)對FU的限流性及熱容量(I2t) 進行校驗,以便選擇同柜內(nèi)的輕型斷路器(或負(fù)荷開關(guān))、隔離開關(guān)等電氣設(shè)備。根據(jù)熔斷時間計算出(或查曲線得知)FU的熱容量,該值應(yīng)大于同柜內(nèi)斷路器或負(fù)荷開關(guān)在該熔斷時間內(nèi)的熱容量,且小于其額定時間內(nèi)的熱容量,確保這些設(shè)備在熔斷時間內(nèi)的安全。

(5)應(yīng)對FR的殘壓水平與電氣設(shè)備的沖擊耐壓水平進行比較校驗,以確認(rèn)FR 是否有效地降低了操作過電壓,保護了主要電氣設(shè)備免受過電壓的沖擊。

(6)對于新建和現(xiàn)場條件允許的工程,應(yīng)制作專用柜體,采用隔離開關(guān)、撞擊機構(gòu)、FR、FU、真空斷路器的完整組合形式,以方便設(shè)備維護和安全更換FU熔絲。

按照以上原則，我們對紫坪鋪電廠廠高變、勵磁變的FUR進行如下設(shè)計分析。

4.2 廠高變FUR參數(shù)設(shè)計

4.2.1 FU的設(shè)計

(1)IN應(yīng)不小于廠用變高壓側(cè)額定電流，IN≥67 A

(2)考慮變壓器有5%的容差且允許過載1.3倍2小時，并留有10%的裕度：

IN≥67×1.1×1.05×1.3=101 A

(3)根據(jù)軟件仿真模擬和等效計算變壓器突然合閘時熔絲安全。

(4)廠用變低壓側(cè)短路時，反應(yīng)到高壓側(cè)的電流為: 847 A

此時，熔斷器的熔斷時間應(yīng)至少比用戶提供的廠用變低壓側(cè)線路過流保護動作時間延長0.3 s,以使熔斷器能保證廠用變低壓側(cè)短路時，有選擇地跳開低壓側(cè)開關(guān)，并可作廠用變過流保護的后備保護。綜上所述，F(xiàn)U選額定電流IN=150 A。查安-秒特性曲線可知150 A熔斷器安秒特性：

①廠用變低壓側(cè)短路時熔斷器的熔斷時間為0.8 s。

②IN=150 A的熔斷器的熔斷電流能避開變壓器磁化電流沖擊的要求。

③ FU限流特性和I2t特性

截斷時間：

截止電流：Ip=20 kA

注：截止電流由截流特性曲線查得，150 A熔斷器在預(yù)期短路電流113.89 kA時，截止電流為20 kA。

故FUR1的額定電流取IN=150 A。

4)FU其他參數(shù)

額定電壓:13.8 kV/442 mm 額定電流：150 A

4.2.2 FR的設(shè)計

4.3 勵磁變FUR參數(shù)設(shè)計

4.3.1 FU的設(shè)計

(1)IN不小于勵磁變高壓側(cè)額定電流的1.4倍，即IN≥119.49 A

(2)發(fā)電機勵磁變低壓側(cè)短路時，反應(yīng)到高壓側(cè)的電流為1 374 A。

(3)熔斷器應(yīng)保證發(fā)電機在3倍強行勵磁狀態(tài)下不動作；

IR≥3×85.35=256.05 A

綜上，可取各勵磁變FU額定電流IN為125 A，13.8 kV。查安-秒特性曲線可知125 A熔斷器安秒特性：

①廠用變低壓側(cè)短路時熔斷器的熔斷時間為0.08 s。

②FU最小熔化電流300 A，約為勵磁變額定電流的3.5倍，熔斷器在發(fā)電機強勵時不動作。

③ FU限流特性和I2t特性

截斷時間：

截止電流:Ip=18 kA

(注：截止電流由截流特性曲線查得，125A熔斷器在預(yù)期短路電流113.89 kA時，截止電流為18 kA。)

故FUR2的額定電流取IN=125 A。

④FU其他參數(shù)

額定電壓:13.8 kV/442 mm 額定電流：125 A

4.3.2 FR的設(shè)計

5 結(jié) 語

紫坪鋪電廠機端短路電流較大，選用普通真空斷路器或負(fù)荷開關(guān)不能滿足設(shè)備保護的要求,采用FUR組合保護裝置作為廠高變等主要設(shè)備的保護設(shè)備是一種比較理想的選擇，在可靠性、安全性、經(jīng)濟性等方面具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)越性。按上述參數(shù)設(shè)計選型的FUR組合保護裝置在紫坪鋪電廠已安全運行近十年，得到了很好的實踐驗證。我們在FUR實際使用過程中, 還應(yīng)注意以下問題:

(1) 定期檢查清潔。

(2) 定期測量熔體電阻值的變化。

(3) 一般使用5年以上的熔斷器,應(yīng)考慮更換新熔體管。