關(guān)于水電站廠(chǎng)用電應用分析相關(guān)論文

　　1、概述

　　湖南省江埡水電站裝設3臺10萬(wàn)kW的水輪發(fā)電機組，電站于1998年至1999年相繼投入商業(yè)運行，發(fā)電機額定電壓為13.8kV，3臺水輪發(fā)電機電壓側采用單機單變—即單元接線(xiàn)方式，主變高壓側為110kV和220kV電壓等級送出，其中一臺機組接110kV/220kV自耦變壓器，另兩臺機組接220kV雙圈變，3臺高壓廠(chǎng)用變取自3臺主變的低壓側，變壓比為13.8/10.5kV，10.5kV側采用分段接線(xiàn)方式，未改造前高壓廠(chǎng)用變壓器的額定容量為1250kVA，改造后新增一臺2500kVA的變壓器接1臺機組，一臺機組接1250kVA變壓器不變，另一臺機組采用2臺1250kVA并列運行。原高壓廠(chǎng)用變壓器高壓側（即13.8kV側）均采用負荷開(kāi)關(guān)進(jìn)行保護，運行中出現非正常動(dòng)作及熔絲燒壞現象，因此結合此次廠(chǎng)用變增容改造，同時(shí)對保護設備進(jìn)行改造。整個(gè)改造于2002年元月完成，至今已運行近3年，效果良好，業(yè)主及運行人員對此非常滿(mǎn)意�，F就改造方案的選取及在選型過(guò)程需要考慮的主要問(wèn)題進(jìn)行探討，對今后正確選用FUR設備及高壓限流熔斷器將會(huì )起到一定的作用。

　　2、改造方案的選取及原方案存在的問(wèn)題

　　由于13.8kV原開(kāi)關(guān)設備均為裝柜形式，且地方狹窄，不可能再增加設備位置，只能在原有設備的基礎上進(jìn)行改造完善，為了保證今后的安全運行，在全面了解現有設備的基礎上，擬定了三個(gè)方案供選擇比較。

　　第一方案是更換原有負荷開(kāi)關(guān)，即增加額定電流以滿(mǎn)足廠(chǎng)用變容量的變化要求，此方案最為方便簡(jiǎn)單。從表面上看，在正常情況下，選擇負荷開(kāi)關(guān)額定電流為1250A或630A均可滿(mǎn)足要求，但若廠(chǎng)用變二次側發(fā)生短路時(shí)，考慮廠(chǎng)用變阻抗后，流過(guò)一次側的最大電流約為2000A，而目前負荷開(kāi)關(guān)的最大額定電流為1250A，所以不能滿(mǎn)足要求，有可能會(huì )出現負荷開(kāi)關(guān)爆炸等嚴重現象的發(fā)生，不是徹底的解決問(wèn)題的方案。

　　第二方案是在原有開(kāi)關(guān)柜內將負荷開(kāi)關(guān)更換為真空斷路器。通過(guò)短路電流計算，當在高壓廠(chǎng)用變高壓側發(fā)生三相短路時(shí)，系統各設備提供的最大短路電流達到77.9kA（自耦變側）和54.4kA（雙圈變側），假定斷路器能切斷如此大的短路電流，但由于斷路器實(shí)際開(kāi)斷時(shí)間（繼電保護時(shí)間與斷路器分閘時(shí)間之和）大于80ms，所以在短路故障切除之前，與之相連接的電氣設備將受到3個(gè)周波以上的大短路電流沖擊，幾次這樣大的短路電流沖擊必然對設備帶來(lái)很大的損害，影響其使用壽命和經(jīng)濟效益的充分發(fā)揮。實(shí)際上，現有常規斷路器也無(wú)法切斷如此大的短路電流，若選用發(fā)電機專(zhuān)用斷路器，其價(jià)格十分昂貴，也不能保證短路動(dòng)作有良好的選擇性，也難以避免大短路電流的沖擊。

　　第三方案是采用FUR組合裝置加真空斷路器的組合方案。真空斷路器僅作為操作電氣設備代替負荷開(kāi)關(guān)，可選擇輕型斷路器，FUR作為保護設備（FU即高壓限流熔斷器，FR為高能氧化鋅過(guò)電壓保護器，兩者組合簡(jiǎn)稱(chēng)FUR），FU的限流性和快速性使得在短路電流遠未達到最大值之前就切斷短路電流，其切斷時(shí)間可根據保護特性進(jìn)行調整和選擇，以保證上、下級的動(dòng)作選擇性，從而達到保護設備的目的。而FR的降壓性和移能性限制了網(wǎng)絡(luò )中的操作過(guò)電壓，并將短路網(wǎng)絡(luò )中的磁場(chǎng)能量釋放，快速將電流衰減至零。因此使用FUR裝置有如下優(yōu)點(diǎn)：

　�。�1）由于FU的快速性和限流性是由其物理特性所決定，而無(wú)機械拒動(dòng)的可能，所以有較高可靠性；

　�。�2）由于FU的限流性，系統設備不再會(huì )受到預期短路沖擊電流的沖擊，有效避免了因穿越故障電流而損壞設備的事故，延長(cháng)了電氣設備的使用壽命，且設備選擇無(wú)需考慮動(dòng)、熱穩定校驗問(wèn)題；

　�。�3）由于FU的快速性，使故障切斷時(shí)間大大縮短；

　�。�4）由于FR的非線(xiàn)型性有效的限制了FU的過(guò)電壓，使操作過(guò)電壓小于2.5倍的額定相電壓，FR吸收了FU在開(kāi)斷過(guò)程中系統各部分提供的`能量，使FU開(kāi)斷時(shí)的電弧能量降低至安全線(xiàn)以下，從而減輕了FU的承受壓力。

　　FUR的上述這些優(yōu)點(diǎn)克服了方案一、二的某些缺點(diǎn)，且價(jià)格較方案二低很多，同時(shí)可實(shí)現在原有開(kāi)關(guān)柜內進(jìn)行改造，工作量較少，改造時(shí)間短。

　　3、柜內結構方案的設計

　　在確定了采用普通真空斷路器加FUR組合保護裝置方案后，在不增加外置設備及占地的情況下，分析所增加的設備在柜內安裝的可能性。原柜內裝設了一臺高壓負荷開(kāi)關(guān)，在不改變柜體尺寸的情況下，將此開(kāi)關(guān)拆除后，略加改造（即增加相關(guān)的支撐件）自上而下依次布置FU的撞擊機構、FU、FR及真空斷路器。真空斷路器僅作為切斷負荷電流之用，因此它安裝在FUR之前或之后都是可取的，根據開(kāi)關(guān)的型式及操作、檢修及維護更換設備的方便，在此次改造中，將真空斷路器布置在FUR之后，主要原因是①斷路器操作機構易于安裝，引出線(xiàn)易于連接；②在更換FU熔絲時(shí)，可斷開(kāi)斷路器，使FU下觸頭在無(wú)電壓情況下更換，保證了人身安全；③FUR裝設在開(kāi)關(guān)柜后板上，支撐容易，且與封閉母線(xiàn)套管和真空斷路器連接方便，經(jīng)校核安裝尺寸及帶電距離均可滿(mǎn)足要求，但柜內需增加一定數量的設備支撐件及面板現場(chǎng)開(kāi)孔工作。如果能在FUR前再裝設一組隔離開(kāi)關(guān)，則該方案就更加完美，即當在機組運行時(shí)，需更換FU的熔絲時(shí)，不會(huì )影響機組正常發(fā)電，上、下端均不帶電，人員更加安全。

　　4、FUR參數的選擇

　　FUR參數的選擇至關(guān)重要，應認真分析研究，收集資料。它的參數既要保證能可靠動(dòng)作，又要保證在發(fā)生短路事故時(shí)能與廠(chǎng)用變低壓側主保護的協(xié)調配合，這樣即保證了選擇性又起到使主設備免遭沖擊的作用，現以2500kVA高壓廠(chǎng)用變高壓側FUR的參數選擇，舉例說(shuō)明其選擇方法與一般負荷開(kāi)關(guān)和熔斷器選擇方法的主要區別和應考慮的問(wèn)題。

　　4.1按額定電流選

　　2500kVA廠(chǎng)用變高壓側的額定電流為104.6A，同時(shí)考慮變壓器允許過(guò)載2小時(shí)時(shí)按過(guò)載系數為1.3倍不動(dòng)作，并留有10%的裕度及5%的容差后，計算電流應為157.1A，意味著(zhù)FU的額定電流選擇為160A，在正常運行情況下不會(huì )動(dòng)作。

　　4.2按變壓器承受的沖擊電流選擇

　　保護變壓器用的熔斷器應能承受變壓器勵磁涌流沖擊而不熔斷。根據目前的規定，當變壓器突然合閘時(shí)，勵磁涌流最大為變壓器滿(mǎn)載電流的12倍，持續時(shí)間為0.1s，即勵磁涌流Ic=104.6×12=1254A，考慮到熔絲熔斷時(shí)的分散性，應留有20%以上的裕度，即保證在0.1s時(shí)熔絲不熔斷的電流Ic’=1505A，查160A的限流熔斷器安—秒特性曲線(xiàn)，在0.1s時(shí)的熔斷電流為1600A，能夠避開(kāi)變壓器勵磁涌流而不熔斷。

　　4.3按保護配合性選擇

　　當高壓廠(chǎng)用變低壓側發(fā)生短路時(shí)，反應到高壓側的電流估算為104.6/0.06=1743.3A（0.06為廠(chǎng)用變壓器的阻抗電壓值），查160A限流熔斷器的安—秒特性曲線(xiàn)，在1743.3A時(shí)相應的熔斷時(shí)間為60ms，而低壓側真空斷路器的跳閘動(dòng)作時(shí)間為80ms以上，即當低壓側發(fā)生短路時(shí)，低壓側斷路器在未及時(shí)跳閘的情況下，高壓側限流熔斷器即FU既已被熔斷，說(shuō)明當額定電流為160A時(shí)不能與廠(chǎng)用變低壓側主保護相配合。為了使FUR在廠(chǎng)用變低壓側短路時(shí)保證動(dòng)作的選擇性，熔斷器的額定電流應選高一級即250A，查250A限流熔斷器的安—秒特性曲線(xiàn)，此時(shí)熔斷時(shí)間為700ms，可以滿(mǎn)足動(dòng)作選擇性要求。

　　4.4按FU限流特性及FR殘壓水平進(jìn)行校驗

　　當廠(chǎng)用變高壓側發(fā)生三相金屬短路時(shí)，根據250A限流熔斷器的預期電流有效值—截斷電流峰值曲線(xiàn)，根據短路電流計算結果（在自耦變壓器低壓側）最大運行方式下的短路電流值為77.9kA，可以查到其截斷電流峰值為35kA，熔斷時(shí)間約為1.1ms，而在廠(chǎng)用變低壓側短路時(shí)高壓側電流為1743.3A時(shí)的熔斷時(shí)間為700ms，可以滿(mǎn)足選擇性要求。同時(shí)為了與FU截斷電流相配合，高壓側真空斷路器額定開(kāi)斷電流必須選擇為40kA，在40kA情況下FU的熔斷時(shí)間為即40ms。熱容量I2t分為熔斷件的I2t和弧前I2t，熔斷件的I2t即在給定時(shí)間間隔內電流平方的積分，弧前的I2t既是在熔斷件整個(gè)弧前時(shí)間內電流平方的積分，兩者從概念上是不同的。為了保證熔斷器的安全性和可靠性，采用熔斷件的I2t值與被保護設備的I2t值進(jìn)行選擇校驗熔斷件，要比用弧前時(shí)間—電流特性選擇校驗更為合理和科學(xué)。從廠(chǎng)家給定的熔斷件熱容量曲線(xiàn)可以看出250A的熔斷件I2t值為1.2×106（A2?s）（熔斷時(shí)間為0.7s），而斷路器在0.7s時(shí)間內承受的熱容量為352×0.7=0.857×106（A2?s），小于此時(shí)斷路器3s時(shí)額定熱容量。因此可以滿(mǎn)足要求，對斷路器是安全的。

　　由于FR的非線(xiàn)型性和快速導通特性，將操作過(guò)電壓限制在2.5倍額定相電壓之內，其殘壓值約為U=2.5×（根號）2?Ue/3=28.17kV，殘壓值小于運行中發(fā)電機及變壓器的沖擊耐壓值29.3kV，更小于出廠(chǎng)時(shí)的沖擊耐壓值（額定電壓為13.8kV），因此FR可避免發(fā)電機及變壓器免受操作過(guò)電壓的沖擊，假如沒(méi)有FR的作用，其限流熔斷器的操作過(guò)電壓將達38kV以上，已經(jīng)大于運行中發(fā)電機及變壓器的最大沖擊耐壓值35.2kV，將會(huì )使設備受到很大的電壓沖擊而損壞，縮短了使用壽命，影響機組經(jīng)濟效益的發(fā)揮和設備的投資，因此設備FR的作用是不可低估的。

　　從以上各方面的分析計算可以看出，FU的額定電流選定為250A是滿(mǎn)足安全性和可選擇性要求的。同時(shí)也必須裝設FR以限制操作過(guò)電壓。

　　5、結語(yǔ)

　　經(jīng)過(guò)理論計算和實(shí)踐證明，FUR組合保護裝置有其很大的優(yōu)越性，并已在江埡水電站廠(chǎng)用電系統中成功運用，它減少了設備的誤動(dòng)率，有效的保護了主要電氣設備，提高了電站的經(jīng)濟效益。但在選用該設備時(shí)，應多方案比較，綜合考慮和計算，既要保證電站安全的安全性，又要保證動(dòng)作的可靠性和選擇性，它不同于一般熔斷器或負荷開(kāi)關(guān)的選擇。從該電站的選型中可得出以下結論，也是在通常設計中易于忽視的方面/問(wèn)題：

　�。�1）對短路電流較大的電站，在選用普通真空斷路器不能滿(mǎn)足要求時(shí)，可選用負荷開(kāi)關(guān)或FUR組合保護裝置，不論選擇哪種設備，均應滿(mǎn)足動(dòng)作的可靠性和可選擇性，以及截流過(guò)電壓對主要設備的危害性。

　�。�2）FUR組合設備中FU即高壓限流熔斷器的額定電流選擇不能單純按負荷電流選擇，應充分考慮熔斷時(shí)間與下級斷路器在動(dòng)作時(shí)間上的配合性，并應取得生產(chǎn)廠(chǎng)家準確的電流—時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)、熱容量曲線(xiàn)等參數。

　�。�3）應對FU的限流性進(jìn)行校驗，以便選擇輕型斷路器或負荷開(kāi)關(guān)、隔離開(kāi)關(guān)等電氣設備。

　�。�4）應根據熔斷時(shí)間計算（或查曲線(xiàn)）FU的熱容量，該值應大于斷路器或負荷開(kāi)關(guān)在該熔斷時(shí)間內的熱容量，且小于其額定時(shí)間內的熱容量，確保電氣設備在熔斷時(shí)間內的安全。

　�。�5）由于FR的能量轉移，降低了操作過(guò)電壓，有效地保護了主要電氣設備免受過(guò)電壓的沖擊，但應對FR的殘壓水平與電氣設備的沖擊耐壓水平進(jìn)行比較校驗后，才能確定。

　�。�6）如有條件可在發(fā)電機母線(xiàn)引下線(xiàn)處設置一組隔離開(kāi)關(guān)，以便于設備的檢修和更換，同時(shí)不影響機組的正常運行。

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