F-C回路在发电厂高压厂用电系统中的应用

郑鸿志,孙 平

（1.国电大连开发区热电厂,辽宁 大连 116600;2.国电电力旅顺热电项目筹建处,辽宁 大连 116041）

高压限流熔断器与真空接触器组合构成的开关装置简称为F-C回路,在发电厂主要作为高压电动机、厂用低压变压器的保护和操作装置,具有控制性能合理、可靠性高、宜于频繁操作、经济效益显著等特点。目前火力发电厂在高压厂用电系统一般采用真空断路器和F-C回路组合高压开关柜向厂用负荷（高压电动机和低压厂用变压器）供电,但供电负荷容量有明确划分。

1 F-C回路特性

1.1 高压限流熔断器

在F-C回路中高压限流熔断器作为短路保护功能元件,当电流超过给定值足够时间时,用熔体开断回路电流切断接入回路。熔断器速断保护特性好,而且开断电流越大,开断时间越短,能在电流达到峰值前,将回路断开。

正常运行时,熔断器电阻产生的热量与扩散热量平衡时,处于稳定运行状态。回路出现过载或短路等故障时,当电流足够大并在足够长的时间内流经该元件,熔体因发热而熔化,随即蒸发,出现断口,并在断口出现过电压,形成电弧。当电弧熄灭时,电路断开,熔断器对短路电流的开断比较迅速。从足够大的电流开始流过熔断器,到出现断口这段时间称为弧前时间,也称熔化时间。从电弧出现,到电弧熄灭这段时间称为燃弧时间。熔断器开断时间（动作时间）由熔化时间和燃弧时间组成,即开断时间=熔化时间+燃弧时间。

熔断器对过载电流的开断相对缓慢,熔体的融化和汽化需要一定时间,在F-C回路中由于保护配合的原因,过载电流应由接触器开断。熔断器的时间—电流特性如图1中所示。

图1 高压限流熔断器时间—电流特性

根据熔断器分类,高压限流熔断器是后备保护熔断器,IEC标准规定其熔断时间为0.01～600 s。

1.2 真空接触器

真空接触器是主触头在高压真空室内,能关合、承载及开断正常电流及规定过载电流的机械开关装置。在F-C回路中真空接触器用于正常运行时的合、切操作和对较小故障电流的保护与分断。

真空接触器是利用真空管进行灭弧,真空管具有低截断、低浪涌、触头耐磨损、适于频繁操作等特点,应用于F-C回路的真空接触器额定电流一般为400 A,额定开断电流为4 kA。

2 高压限流熔断器的选择

首先要与高压厂用电系统的短路电流水平相匹配,即熔断器的额定开断电流应大于回路可能出现的最大预期短路电流周期分量有效值,以保证故障时能可靠开断,并考虑额定电压和额定电流。

2.1 额定电压的选择

额定电压按相应系统额定电压选择,根据其开断原理及特性,高压限流熔断器不宜降低电压使用,避免熔体熔断截流时产生的电压超过2.5倍工作相电压,对回路设备造成损坏。在F-C回路中,高压限流熔断器的额定电压等于设备最高运行电压。

2.2 额定电流的选择

熔断件根据其外壳类型和熔断器布置方式有不同的额定电流,根据现场环境温度、引线导体尺寸、柜体结构及工程实际情况等给出熔断件额定电流。

2.2.1 高压电动机回路的高压限流熔断器

a.高压电动机回路正常电流和过载电流

发电厂内高压电动机一般选用鼠笼式异步电动机,高压电动机回路正常电流小于等于电动机满载电流,按电动机额定电流考虑。过载电流按大于等于1.2倍电动机额定电流考虑。

b.关合高压电动机回路时的启动电流

F-C回路关合高压电动机时主要考虑电动机的启动电流、持续时间和启动频次的影响。电动机启动电流可按厂家技术资料提供的数据选取,如缺乏资料,可按电动机额定电流的5～7倍计算。

c.启动频次及启动频次降容系数

电动机启动频次为电动机在1 h内的启动次数。由于熔断器管体充满了石英砂,电动机启动时其启动电流在熔体产生的热量散发很慢,在一段时间内多次启动,该热量将越积越多,使熔件在下一次启动时软化或熔化,因此,选择熔断器时必须考虑启动频次对熔断器熔件的降容要求,可以通过启动频次降容系数来体现。

2.2.2 低压厂用变压器回路高压限流熔断器

a.低压厂用变压器回路正常电流和过载电流

高压熔断器的额定电流应超过变压器满载电流,等于变压器的允许过载电流,过载电流必须考虑三相不平衡和分接切换等因素引起的电流增加。过载电流的幅值应根据变压器所接负荷确定。

b.低压厂用变压器回路关合瞬变过程

F-C回路关合低压厂用变压器时主要考虑避开变压器励磁涌流和低压侧自启动电流的影响。

①变压器励磁涌流及持续时间

变压器突然投入时的励磁涌流不应损伤熔断器,变压器励磁涌流的大小及持续时间受多种因素影响,国内发电厂设计中变压器励磁涌流通过熔断器时所产生的热效应一般按10～12倍变压器满载电流持续0.1 s计算。

②变压器低压侧自启动电流

熔断器应能承受变压器低压侧电动机成组启动所产生的过电流,自启动电流和持续时间不易确定,低压电动机启动电流倍数一般为额定电流的5～7倍,启动时间一般不超过2 s,可按3～4 s计算。

3 高压限流熔断器与真空接触器保护配合

3.1 电动机高压限流熔断器与真空接触器的保护配合

F-C回路中的熔断器作为保护电器,可在大故障电流下断开回路提供保护,在小故障电流或过载情况下借助综合保护装置由真空接触器断开回路提供保护,F-C回路的保护由熔断器的一次保护和综合保护装置的二次保护配合共同完成。

在熔断器与真空接触器保护配合中,熔断器的最小熔断时间—电流特性曲线和综合保护装置的时间—电流特性曲线交点以下的电流由真空接触器开断,并满足以下条件。

a.真空接触器的额定开断电流应大于微机综合保护装置最小特性曲线与熔断器全开断特性曲线交点电流。

b.真空接触器应能耐受熔断器最大限流电流峰值及开断能量。

c.熔断器最小开断电流应不超过微机综合保护装置与熔断器时间—电流特性曲线的交点电流,熔断器最小开断电流应尽量小,最好是电动机启动电流。

d.熔断器最小开断电流以下的电流应由真空接触器断开。

e.电动机堵转电流应小于真空接触器开断电流,熔断器不应开断。

f.启动电流或突然投入电流的时间特性应在微机综合保护装置最小动作特性以下,以免真空接触器误动作。

在限流熔断器时间—电流特性曲线上标出电动机对应的启动时间TD和根据电动机启动特性曲线TD点选择的熔断器电流Iy点,标记为P,P点所对应的曲线或处于这一点右侧的最近一条曲线所对应的熔断器即是所选用的熔断器。

图2为电动机F-C回路的微机综合保护装置与熔断器的保护配合曲线,IQ是F-C回路所接电动机的启动电流,Ie是电动机的满载电流,IQ和Ie的交点D对应的时间TD是电动机的启动时间,从D点引一横线至P点,P点电流为选择限流熔断器电流值Iy,曲线E为综合保护装置的时间—电流曲线,曲线FB为选择熔断器的时间—电流特性曲线。

图2 电动机F-C回路的微机综合保护装置与熔断器的保护配合曲线

3.2 低压厂用变压器高压限流熔断器与真空接触器的保护配合

低压厂用变压器F-C回路的保护配合与高压电动机回路相同,但还需考虑变压器低压侧或变压器内部发生故障,真空接触器动作时,熔断器应能对变压器低压侧短路故障进行保护,熔断器的最小开断电流应低于预期短路电流。在熔断器制造厂给出的熔断器时间—电流特性曲线上绘出变压器满载电流（允许过载电流）、低压侧电动机成组自启动产生的过电流和变压器励磁涌流曲线,在启动电流降至正常电流拐点处再考虑1.5～2.0的安全系数。

4 F-C回路动、热稳定分析

F-C回路柜内导体和设备都应进行动、热稳定校验。根据熔断器限流特性校验动稳定,根据熔断器最大动作电流和时间校验热稳定,弧前时间较长时,可直接用熔断器的时间—电流特性曲线进行校验。

4.1 动稳定校验

目前大多数真空接触器额定开断电流为4 kA （有效值）,根据相关标准,耐受的动稳定电流为额定开断电流的2.5倍,即10 kA（峰值）。还要根据发电厂厂用电系统短路电流水平及熔断器的限流特性,要求真空接触器应能耐受40 kA半波、峰值电流的冲击。

与常规断路器开关柜不同,F-C回路限流熔断器对短路电流切断特性具有强烈的限流作用,回路流过的短路电流可能很小,当预期短路电流为40 kA时,由于限流作用,大部分熔断器只能流过小于30 kA（半波、峰值）电流,而且作用时间仅为3～6ms,真空接触器完全可以承受。因此,推荐真空接触器动稳定按限流熔断器截断电流峰值（限流后截断电流峰值、半波）校验,并考虑一定的可靠系数。

4.2 热稳定分析

由熔断器焦耳积分特性可知,短路电流越小,熔断器最小弧前（I2t）值越大,对整个F-C回路的热稳定性影响越大。根据F-C回路所形成的保护曲线和熔断器焦耳积分特性,短路时回路的最大热效应值应在微机综合保护装置与熔断器时间—电流特性曲线交点电流附近。图3为F-C回路保护基本特性曲线,曲线a是某熔断器厂生产的400 A熔断器的时间—电流特性曲线,f点为接触器的热稳定点（4 kA,4 s）。微机综合保护装置与熔断器的时间—电流特性曲线交点J随配合情况而改变,根据熔断器与微机综合保护装置的配合原则,电流大于IJ时,熔断器动作。因此,最理想的热稳定配合方式是接触器的允许热稳定时间—电流曲线位于熔断器的时间—电流特性曲线右侧。而一般电气设备的热稳定电流只给定某一组数据,如接触器的热稳定电流为4 kA,持续时间为4 s（图3中的f点）。大多数电气设备的热稳定时间为1～5 s,同一设备随热稳定时间的延长、电流的减小,设备的允许热容量而随之增大,其特性曲线斜率与熔断器的焦耳积分特性大致相同。因此,当接触器（或其它电气设备）的热稳定点位于熔断器的时间—电流特性曲线右侧,即可认为接触器的热稳定满足要求。根据图3特性曲线,接触器热稳定点与熔断器曲线接近重合,实际工程中应避免这种情况。若熔断器的额定电流继续增大,接触器的热稳定将不能满足要求。因此,所选熔断器的熔断曲线与接触器热稳定点之间应保留适当裕度,F-C回路熔断器额定电流应小于400 A。

图3 F-C回路保护基本特性曲线

4.3 其它设备和导体的动、热稳定分析

合理选择熔断器,F-C回路接触器可以满足动、热稳定要求。F-C回路柜中导体（如F-C回路引线和小车插头）和设备（电流互感器等）动、热稳定值若大于或等于接触器动、热稳定值便可满足动、热稳定要求。F-C回路柜内不属于该柜单元范围内的导体如贯穿主母线等,其动、热稳定电流应按高压厂用电系统实际短路电流水平考虑,不能降低。

5 最大供电负荷容量

接触器热稳定点（4 kA,4 s）与400 A熔断器的时间—电流特性曲线非常接近,若熔断器的额定电流继续增大,接触器的热稳定将不能满足要求。当回路的预期短路电流为40 kA时,额定电流为400 A的熔断器截断电流已超过40 kA,接触器动稳定电流不能满足要求。受真空接触器耐受动、热稳定影响,F-C回路供电负荷容量不能过大,当厂用电系统电压为6 kV时,热稳定电流为4 kA、持续时间为4 s的真空接触器,选取容量为1 000 kW及以下的电动机,1 250 kVA及以下的低压厂用变压器应选用F-C回路供电。

[1] 李一草.高压F-C回路的应用[J].电工技术,2008 （8）.

[2] 李改茹.F-C回路的设计应用[J].黑龙江科技信息, 2004（10）.