大容量高速开关装置及其应用
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摘要：大容量高速开关装置具有断流能力强、开断速度快等优点，在许多场所具有很实际的应用价值。本文介绍了大容量高速开关装置的组成与原理，并结合实际介绍了几种应用。
关键词：开关装置 限流熔断器 非线性电阻
1概述
开关又称断路器，是电力系统中最重要的电力设备之一。它在电网中的基本任务是：第一，根据电网运行的需要，将一部分线路或电力设备投入或退出运行，以此对电网的运行方式进行控制，在这种情况下，开关的触头承载的是负荷电流；第二，当线路或电力设备发生故障时，开关可将故障部分从电网中快速切除，以保证无故障部分正常运行，保护电网的安全，此时，开关的触头承载的是故障电流或短路电流。
短路电流的最大峰值往往出现在第一个周波内，而且非周期分量很大（如图1），通常几个周波内不过零。同时，断路器的动作时间相对于故障发生的时刻有一定的滞后，再加上继电保护所形成的时间差，在开断时间内短路电流的峰值已经数次冲击发电机、断路器和变压器等被保护设备，经过几次重大事故，就有可能造成设备的损坏，进而增加运行维护和检修的成本。另外，断路器正常工作时的额定电流与发生短路故障时的短路电流相差过大，尤其是现代电力系统容量的不断增大，短路电流值也不断上升，强大的短路电流产生的电动力破坏性更大，断路器必须按照开断短路电流进行选择，设备、线路及断路器本身就要求设计有足够的热稳定、动稳定裕度，设备的投资就会加大，造价过高。因此，随着电力系统的不断发展，越来越需要断路器能够在故障瞬时就发现并以最快的速度切断短路电流，避免被保护设备及开关本身受到巨大的热冲击和电动力作用。
图1短路电流波形及开断方式比较
2大容量高速开关装置的构成与原理
2．1大容量高速开关装置的构成
大容量高速开关装置由桥体FS、高压限流熔断器FU、非线性电阻FR及测控单元组成，如图2所示，简称FSR。
图2 大容量高速开关装置的构成
2．1．1桥体
桥体与高压限流熔断器、非线性电阻并联运行。桥体内包含爆炸装置和载流导体，桥体的设计电阻为高压限流熔断器的几十分之一，因此正常时从桥体中流过的电流为从高压限流熔断器中流过的电流的几十倍，而工作电流基本为两者之和，在不增加高压限流熔断器额定电流的情况下，整个装置的额定电流得到了提高。短路时，测控单元发出的脉冲信号点燃爆炸装置，在0.15ms~0.2ms后载流导体从中部断开，在爆炸冲击力的作用下，分开的载流导体向六个方向卷曲，形成隔离断口，将电流转移至高压限流熔断器。
2．1．2高压限流熔断器
高压限流熔断器具有限流性和快速性。由于故障电流的最大峰值往往出现在第一半波，当桥体断开后全部短路电流转移到高压限流熔断器，熔断器在第一个大半波内短路电流还未来得及升起就完成汽化、击穿、间隙产生电弧和熄灭电弧，限制并强制性地切断短路电流（t﹤2ms），使电流达不到预期的短路电流峰值。如图3所示，当短路电流上升到Ip时，熔断器熔断并截流，截止电流Ip仅为预期电流峰值的15%左右，将故障电流对发、变电设备的电动力和热效应冲击大幅度减轻。高压限流熔断器产生的弧压可以通过非线性电阻加以限制，通过与桥体在阻值上的配合，解决高压限流熔断器容量不足的问题，提高整个装置的应用范围。
图3 高压限流熔断器动作特性图4氧化锌电阻的伏安特性曲线
2．1．3非线性电阻
高能氧化锌非线性电阻具有非线性伏安特性，同时能够抑制瞬时过电压，当其端电压低于某一值时，其中的电流几乎为零；超过这一值时，其电流将随着端电压U的增大而急剧增加。其非线性特性见图4所示。在高压限流熔断器熔断时产生的弧压，使氧化锌非线性电阻导通吸收电感中储存的磁能及电源注入的能量，氧化锌非线性电阻导通，使高压限流熔断器顺利熄弧。同时氧化锌电阻良好的非线性特性，可以把开断时的过电压限制在2.5倍额定相电压之内，使电器设备不再受到大电流的冲击。
2．1．4测控单元
测控单元是一个电子逻辑控制器，随时检测系统电流瞬时值i和电流变化率di/dt，一旦有短路故障发生，当i和di/dt大于整定值时，电子逻辑控制器会向桥体中的爆炸装置发出脉冲点火信号。检测电流变化率的功能由一空心电流互感器实现，避免了带铁芯电流互感器因为磁饱和而引起波形失真，同时又可将测量控制线路与主电路隔离。
2．2大容量高速开关装置的原理
当设备发生故障时，主电路中的电流幅值i和电流变化率di/dt超过整定值，测控单元判断有短路电流，向桥体中发送电脉冲引爆爆炸装置，载流导体断开，将全部电流加在高压限流熔断器上，高压限流熔断器在2ms内熔断，产生的弧压由高能氧化锌非线性电阻限制并吸收。
在大容量高速开关装置完成了短路断开功能后，与熔断器配合的负荷开关只要求能够开断额定电流和一般过载电流，对关合短路电流及承受短路电流的动稳定性和热稳定性方面则无要求。
3大容量高速开关装置的特点
大容量高速开关装置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，而传统的断路器保护方式最快也要75ms。
2．短路电流在初始上升阶段即加以限制，永远达不到短路冲击电流的峰值，设备的动稳定和热稳定的裕度不必设计得过大，可节省大量资金。
3．解决了电网扩建带来的短路电流增加的难题。
4．优化了配电设备联网过程的解决方案。
5．降低了配电设备的费用。电力设备可免受强大的短路电流的冲击，机械强度不必做得很大。开断快、截流小，电力设备无须考虑热稳定问题，导体尺寸不必很大。
4大容量高速开关装置的应用
上述提到的特点必须通过实际的应用才能得以体现。下面探讨大容量高速开关装置的几种实际应用。
4．1FSR应用在发电机出口
发电机出口端或其附近发生短路故障时，短路电流的幅值大，从短路开始到电流第一次过零经历的时间长（大约需要20~150ms）。这会给发电机造成很大的危害，同时对其保护设备有更高的要求。
用FSR保护发电机出口端短路故障，具有很好的保护作用，因为在短路电流最大值未通过发电机时，熔断器已切除了故障。
FSR也可以应用在厂用变分支、励磁变分支，有效避免变压器因穿越性故障而损坏的事故，延长设备的使用寿命，提高系统设备在动稳定方面的安全裕度。
4．2FSR与电抗器并联
在正常运行时FSR将电抗器短接，避免了电抗器巨大的电能损耗和大型电动机启动时的电压降。短路时FSR快速断开，负荷侧断路器的开断电流受电抗器限制到允许范围。
在新供用电系统设计时，可加大电抗器阻抗，使负荷侧断路器的开断电流进一步减小，降低造价。
线路短路时，FSR快速断开，将电抗器投入，电抗器上的残压可设计得足以维持重要负荷继续运行而不受影响。
4．3FSR应用于母联
在电网连接点上装设限流熔断器将电网实现闭环运行，正常情况下可以大大提高供电可靠性，而一旦发生短路故障，可以由限流熔断器快速地限流并切断电网间的连接实行开环运行，联网前各分支电网已经装设的短路保护设备可以不作任何增容改造，实现最经济的电网互连。
4．4FSR应用于线路
FSR应用于供电线路中，若线路中带有敏感用户，可防止线路短路电压降而引起敏感用户失控，一条线路短路后，该路的大容量高速开关装置断开，其他线路继续供电。
5结论
由于FSR组成器件的物理特性决定了FSR的快速性和限流性，因此与传统的断路器相比较，不存在机械拒动，可靠性高。应用FSR可以使发电机、变压器及短路器不再受短路电流峰值的冲击，延长了设备使用寿命。目前，该装置已在刘家峡水电厂、乌兰浩特热电厂、漳泽发电厂、兰州化学工业公司等单位投入使用，取得了很好的效果。
参考文献
1．淡淑恒，同步发电机出口短路分析及采用大容量电子化熔断器作短路保护的新概念，高压电器，1995.5
2．刘守书，同步发电机出口短路分析及采用大容量高速开关装置的建议，水电电气，2001.3
3．王川，用于大型同步发电机出口及厂用变分支的大容量快速开断装置，水电电气，2001.1~2
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