高压限流熔断器组合保护装置（FR）的应用

　　一、系统参数及短路计算

　　1．1 系统参数

　　主机：额定功率：Pn=23MW; 额定电压：UNL=10.5KV

　　功率因数：COSN =0.85

　　额定电流：INL =1488A;超瞬变电抗：X d″=15.2%

　　主变: 额定容量：Sn=31.5MVA;额定电压：UNL=10.5KV

　　额定电流：IN=1732A;短路阻抗：Ud%=10.5

　　厂用变: 额定容量：Sn=315KVA;额定电流：IN=17.32A

　　阻抗电压: Ud%=4

　　励磁变: 额定容量：Sn=315KVA ;额定电流：IN=17.32A

　　阻抗电压: Ud%=4 ; 励磁变电压比：10.5/400V

　　励磁电压：UNL=180V；励磁电流：INL=566A；

　　阳极电压：UY=540V；强励倍数：2

　　1．2 一次系统图

　　贵方提供的厂用变及励磁变在“发—变”系统主回路及系统各参数，系统按无穷大考虑，画出一次接线图（见图1）。其中虚线框内为高压限流熔断器[ 1 ]组合保护装置，包括限流熔断器[ 1 ]FU、氧化锌电阻FR：

　　1．3 短路电流的计算

　　发生短路时,单台发电机提供的短路电流流过FRC为：IK1==9.8KA

　　主变提供的短路电流流过FRC为：IK2==16.5KA

　　则发生短路时，流过FRC的预期短路电流有效值[ 2 ]为：IK=26.3KA

　　预期短路电流峰值[ 3 ]为： IMAX=26.3=37.2kA

　　预期短路冲击电流值[ 4 ]为：iimp=（1.9IK1+1.8IK2）=68.3 kA

　　二、原系统存在的问题

　　1、通过以上计算,我们可以看出当厂用变、励磁变高压侧发生短路时，系统各设备提供的短路电流的有效值为26.3kA。预期短路冲击电流值可达到68.3kA。厂用变、励磁变高压侧26.3kA的预期短路电流高达315kVA厂用变额定电流17.32A的1518倍；315kVA励磁变额定电流17.32A的1518倍，远远超出了厂用变、励磁变允许的承受能力。如果厂用变、励磁变内高压侧套管附近发生短路，在如此强大的短路电流冲击下，必将发生厂用变压器的爆炸事故。

　　2、由于断路器实际开断时间（继电保护动作的时间与断路器的切除时间之和）大于80ms，所以，在短路故障切除以前，主机、主变都将受到3个周波以上大的短路电流的冲击，几次这样大的冲击必然对设备带来很大的损坏而且影响其使用寿命。

　　三、解决问题的方案及系统采用FRC的优越性

　　针对贵方的实际情况，我们推荐的解决方案是在原系统中厂用变高压侧、励磁变高压侧加装FRC。

　　使用FRC以后，当出现厂用变、励磁变一次侧短路时，如图2所示，熔断器FU在t1时间内熔断截流，并产生弧压将电流迫入非线性电阻FR中快速衰减。此时短路电流只上升到Ip (见图2)，仅为预期短路冲击电流的1/10左右。FU的作用是限流截流，产生弧压；FR的作用是限制弧压，吸收磁场能量，减轻对FU的压力，并快速将电流衰减至零。

　　由于FU的限流性和快速性，采用了FRC后原系统将具有如下的优越性：

　　1)由于FU的限流性，设备不再遭受短路电流的冲击。延长了发电机、变压器等设备的使用寿命，大大提高了系统设备在动、热稳定方面的安全裕度。

　　2)由于FU的快速性，使故障切除时间大大缩短，更能有效地保护主机和主变压器。大量的研究结果表明，只有在20ms之内切除故障，才能避免变压器的损坏事故。

　　3)由于FRC的动作及其独特的快速性和限流性是由其物理特性决定的，因而无机械拒动和误动的可能，所以可靠性很高。

　　4)FR限制了过电压，使操作过电压小于2.5倍相电压。FR吸收了FU开断过程中的能量，使FU开断时的电弧能量降低至允许值以下，从而开断可靠性大大提高。

　　四、FRC的参数设计

　　（一）、厂用变FRC参数设计

　　1、 FU的额定参数

　　a)In 应不小于厂用变高压侧额定电流IN=17.32A

　　b)考虑变压器有5%的容差且允许过载1.3倍2小时，并留有10%的裕度：

　　IN≥17.32×1.1×1.05×1.3＝26A

　　c)厂用变压器空载合闸时最大可能的激磁涌流持续0.1s熔断器应无损伤，即不小于厂用变压器额定电流的15倍。

　　即I0．1s=IN ´12=17.32´15=259.8A。则熔断器的额定电流In≥31.5A;

　　d) 厂用变压器低压侧线路出口短路时，熔断器的熔断时间应至少比厂用变低压侧线路主保护动作时间延长0.5S。

　　厂用变低压侧短路时，反应到高压侧的电流为:

　　IK=IN/X〃=17.32/0.04=433A

　　此时，熔断器的熔断时间需为1s，以保证厂用变低压侧短路时可

　　有选择地跳开低压侧开关，作厂用变低压侧短路时后备保护。

　　综上，FU选额定电流IN=80A，图3曲线给出了它的安秒特性[ 7 ]：

　　1）厂用变低压侧短路时熔断器的熔断时间为1s。

　　2）查熔断器安秒特性曲线上IN=80A的熔断器0.1s时的熔断电流为1100A能避开磁化冲击电流259.8A的要求。

　　3) FU限流特性和I2t特性[ 9 ]

　　截断时间 [ 5 ]：t1=0.69ms

　　截止电流 [ 6 ]：Ip=8kA

　　由计算可得FRC的额定电流IN=80A，截流特性曲线[ 8 ]见图4。

　　由实验可得到对应IN=80A最大的It远远小于常规真空断路器开断时It。

　　2、FR的设计

　　取FR残压UZ=2.5×1.15×UFN=23.47kV以保证发电机、变压器不受高电压的冲击。

　　截断电流转移到FR后衰灭到零的时间(见图2)：

　　T=t-t=0.46ms t=T+t=1.15ms

　　（二）、励磁变FRC参数设计

　　1、 熔断器FU的额定电流

　　根据以下原则选取熔断器的额定电流：

　　①熔断器的最小熔化电流应大于发电机空载误强励电流。

　　Imin≥IkwL=1.65×UyIfN/kUFn

　　式中：Imin为熔断器的最小熔化电流；IkwL为发电机空载误强励电流；

　　 Uy为整流桥阳极电压；IfN为发电机转子额定励磁电流；

　　UfN为发电机转子额定励磁电压；K为励磁变压器变比。

　　Imin≥IkwL=1.65UyIfN/kUFn=1.65×540×566/26.25×180=106.7A

　　②发电机励磁变压器低压侧短路时，熔断器熔断时间尽可能不大于50mS。

　　发电机励磁变低压侧短路时，反应到高压侧的电流为17.32/0.04=433A。

　　综上,取FU额定电流IN=31.5A：

　　励磁变低压侧短路时,熔断器熔断时间为20﹤50 ms；熔断器最小不熔化电流为110A﹥106.7A。图3曲线给出了它的安秒特性。

　　2、FU限流特性和I2t特性

　　截断时间 [ 5 ]：t1=0.39ms

　　截止电流 [ 6 ]：Ip=4.5kA

　　由计算可得FRC的额定电流IN=31.5A，截流特性曲线[ 8 ]见图4。

　　由实验可得到对应IN=31.5A最大的It远远小于常规真空断路器开断时It。

　　3、FR的设计

　　取FR残压UZ=2.5×1.15×UFN=23.47kV以保证发电机、变压器不受高电压的冲击。

　　截断电流转移到FR后衰灭到零的时间为(见图2)：

　　T=t-t=0.26ms； t=T+t=0.65ms

　　五、FRC装置的结构

　　根据贵方情况，在厂用变高压侧加装FRC，在励磁变高压侧加装FRC，FRC散件直接跨接在母线上，如图5、6（如贵方需要，也可配柜体）。

　　六、国标术语

　　 [1]、限流式熔断器 current--limiting fuse

　　在规定电流范围内动作时，以它本身所具有的功能将电流限制到低于预期电流峰值的一种熔断器。

　　[2]、预期电流 prospective current

　　熔断器用阻抗可以忽略的导体代替时回路流过的电流。

　　[3]、预期峰值电流 prospective peak current

　　瞬态过程起始后，紧接出现的预期电流第一个大半波的峰值。

　　[4]、截流时间或称弧前时间；熔化时间 pre-arcing time；melting time

　　规定施加在熔断器上的某电流值；使熔体熔化到电弧出现瞬间的时间间隙。

　　[5]、截止电流 cut-off current

　　熔断器在开断时出现的最大电流瞬时值。

　　[6]、额定最大开断电流 rated maximun breaking current

　　规定最大熔断器开断能力的数值。

　　[7]、安秒特性曲线又称时间--电流特性 time-current characteristic

　　在规定的动作条件下，时间(如弧前时间或动作时间)与预期电流的函数曲线。

　　[8]、截止电流特性 cut-off current characteristic

　　在规定的动作条件下，截止电流与预期电流之函数。

　　[9]、It特性 It characteristic

　　在规定条件下作为预期电流的函数的焦耳积分òIdt值。