大容量高速开关在江都站的应用与维护

雍成林 朱承明

（江苏省江都水利工程管理处，江苏扬州 225200）

1 工程概述

江都水利枢纽共有4座泵站：一站、二站装有8台水泵机组，配1000 kW同步发电机；三站装有10台水泵机组，配1600 kW同步电机；四站装有7台水泵机组，配3400 kW同步电机，总装机容量55800 kW。主接线见图1，单回路110 kV供电线路，供江都站变电所。该变电所装有2台主变，供一站、二站、三站6 kV主电源，由江都站变电所转供110 kV电源至四站专用变电所，该变电所设有1台主变，供四站6 kV主电源。原江都站变电所及四站专用变电所是随江都四站泵站建设逐步扩建而成的，经近40年运用，设备陈旧老化严重。随着南水北调东线工程实施，其已不能适应年运行8000 h的需要，综合考虑，易地新建1座变电所。

图1 江都站电气主接线简图

2 大容量高速开关应用

江都站新建变电所仍设有3台主变，正常分列运行，运行方式为：1#主变为40000 kVA，向一站、二站供电，并为三站提供备用；2#主变为25000 kVA，向三站供电，可为一站、二站提供部分备用，并为三站发电提供上网通道；3#主变为31500 kVA，向四站供电。

根据江都站所处电网容量和江都站变电所主接线及运行方式，其网络阻抗图见图2，计算出电网短路电流和主电机反馈电流见表1，其中分为：1#主变供一站、二站；2#主变供三站；1#主变供一站、二站、三站；2#主变供一站、三站或二站、三站；3#主变供四站。由此，6 kV主接线开关选择方案有：

（1）按短路时电流直接选择开关。优点是：主接线简洁；缺点是：主要开关的开断电流达50 kA，原已改造的一站、二站开关需要全部更换，三站、四站开关需增大容量，改造费用及三站、四站开关设备费用增加太大，粗略估算仅设备投资增加约450万元。

图2 网络标幺值阻抗简图

表1 江都站6 kV侧短路电流计算表

（2）仍设电抗器。优点是：主接线简单可靠；缺点是：需建专门的电抗器室，占用空间大。

（3）采用大容量高速开关。优点是：方法简便、技术先进、在电力系统已有大量成功应用，且体积较小，显著优点是总体投资较少，一台大容量高速开关仅需约45万元，6 kV主接线中开关容量及费用可大大降低；缺点是：缺乏运行管理经验。

经综合比较，此次江都站变电所选用大容量高速开关方案。

3 大容量高速开关基本原理和动作参数

3.1 大容量高速开关基本原理

大容量高速开关原理见图3，其结构由载流桥体FS、熔断器FU、非线性电阻FR、电流互感器CT、测控单元等组成。

载流桥体FS由两梅花铜触指对接银焊而成，中间装有高效炸药及电雷管，正常流过工作电流，短路故障发生时接到测控单元的分断命令后，在1 ms内引爆快速断开；熔断器FU为高压限流熔断器，在FS开断后，强大的短路电流转入FU中，经0.5 msFU熔断；非线性电阻FR为氧化锌非线性阻件，在FU熔断时弧压作用下由截止变为导通，吸收磁能，并把过电压限制在允许的2.5倍相电压之内；电流互感器为特别设计，在故障情况下，电流信号基本不失真，不滞后；测控单元用于检测主电路电流幅值和电流变化率，利用短路时电流变化率比正常时大这一特点，在短路瞬间，向桥体发出分断信号，在短路电流尚未达到预期峰值时，先于故障电路保护装置和断路器动作（断路器全分闸时间一般至少需80～120 ms），迅速切断电网故障电路。

大容量高速开关装置的动作电流波型如图4所示。一旦短路故障发生，在 1 ms之内截流（t1处），3 ms之内断开（t2处），在电流上升的起始阶段（时间少于2 ms）即将短路电流加以限制。此时短路电流只上升到Ip，仅为预期短路电流峰值的1/3左右，可使最大短路冲击电流及与系统热稳定有关的I2t大大降低，使系统的动稳定和热稳定初裕度大大提高。

大容量高速开关的动作条件：大容量高速开关的动作取决于i（Limit）（曲线3）、电流变化率dt/dt（曲线5），只有在二者同时超过了整定值时，FS才会动作。

图3 大容量高速开关原理图

图4 参数整定值示意图

3.2 大容量高速开关控制器整定参数的选择原则

（1）启动电流值i（Limit）

电流值的整定原则是：避开设备的额定电流、过负荷电流以及设备投入时冲击电流。

（2）最小动作电流曲线idz

最小动作电流曲线的选择原则是：避开断路器开断电流范围内的短路电流，同时还要避开设备合闸时的冲击电流。

（3）电流增长率dt/dt

电流增长率是在最小动作电流曲线上电流幅值等于电流整定值处的斜率。

3.3 大容量高速开关与传统的断路器开断方式相比具有的特点

（1）额定电流大，可达12 kA。

（2）速动性提高20倍以上。短路电流在1 ms以内被截流，3 ms之内衰减到零，故障被完全切除。传统的断路器保护方式最快也要80 ms，至少为大容量高速开关的25倍。

（3）系统永远达不到预期的冲击电流，设备动稳定和热稳定的余度不必设计得过大，可节省大量资金。截流Ip仅为预期短路冲击电流的1/3～1/10，系统承受的电动力大大减少。所通过的I2t比断路器开断方式减少了至少500倍，可达数千倍。

（4）开断过程中无危害性过电压；氧化锌良好的非线性特性，可将开断过电压限制在2.5倍的额定相电压以内。

（5）开断容量可以足够大。目前能做到240 kA，只需要配置相应的非线性电阻来吸收磁能，开断容量就可以做得足够大。

（6）由于本装置引入主电路电流幅值及电流变化率做判据，灵敏度更高。设计上采用三个相同的独立工作的测控部件，以“表决方式”判断故障的发生，可靠性更高。

根据大容量高速开关装置原理和特点，江都站变电所大容量高速开关设置于主变二次侧6 kV出线处，6 kV系统开关开断电流选择为31.5 kA。大容量高速开关合理选择测控单元设定参数：启动电流值≥主变正常和启动时最大负荷；最小动作电流曲线≥开关开断电流减去电机反馈电流；最小动作电流曲线上电流幅值等于电流整定值处的斜率，确保大容量高速开关在该主变带正常负载时，在开关负荷内开断允许故障电流时不动作。

当6 kV系统发生短路故障，其短路电流：电网短路电流加上电机反馈电流≥开关开断电流时，测控单元发出分断信号，大容量高速开关在短路故障发生3 ms内迅速开断切除电网故障电流，然后由故障处开关切除故障点。

4 大容量高速开关运行与维护

大容量高速开关是一种特殊电气设备，国家和行业无维护试验标准，其在电气主接线回路中相当于开关和保护装置的组合体，作用甚至高于开关。由于在发生电气短路故障时，若不能可靠动作，将扩大事故的范围和损失，甚至影响电网的运行稳定；大容量高速开关在水利系统应用较少，缺乏运行管理方面的经验。因此，在日常运用管理中应充分掌握其原理和特点，加强运行管理的维护保养，确保大容量高速开关可靠工作。

4.1 大容量高速开关控制器动作参数的整定和定期检验

大容量高速开关动作参数为：启动电流值、最小动作电流曲线处电流增长率dt/dt，出厂时由制造厂完成整定和检验。投入运行后，运行管理单位应配备专用试验设备，按制造厂规定要求和项目定期进行检验。

4.2 大容量高速开关运行期间定期巡视检查

大容量高速开关运行期间应定期巡视检查，每班1次。除检查电气设备通常内容和要求外，主要是测控单元应正常工作，装置柜上的测控单元指示灯指示应正确。

4.3 大容量高速开关运行注意事项

（1）当大容量高速开关测控柜发出报警信号时，应断开测控柜的电源，再进行检查和排除故障，必要时应立即请制造厂专业技术人员到现场进行处理。

（2）当大容量高速开关测控柜发出动作信号时，应断开本主回路断路器和隔离开关，挂好接地线后，再进行检查。如确为载流桥体和高压限流熔断器因主电源回路而动作，应在制造厂专业技术人员指导下，更换主回路上的载流桥体和高压限流熔断器，并进行试验。

（3）当大容量高速开关主电路中发生短路故障，应检查该回路中相应开关保护装置的动作电流，检验和校正大容量高速开关控制器整定参数的正确性和大容量高速开关动作的可靠性。

（4）重要泵站为确保大容量高速开关在故障或动作后迅速恢复运行，应根据制造厂要求，配备载流桥体、高压限流熔断器及控制部件。备品件应储藏在室内干燥的场所，远离高温热源及易燃易爆物品。储存有效期为8年，到期应进行更换。

4.4 大容量高速开关定期维护

大容量高速开关投入运行后应定期维护检查，每5年进行1次，或按设备状态和运行实际情况而定。检查应在全部停电状态下进行，并专门组织维修检查，主要检查内容及要求为：

（1）对设备元器件、控制器、各种接线及指示灯等全面检查和清理；

（2）制造厂规定的试验项目的检验；

（3）必要时由制造厂组织或在其指导下进行检查。

5 结语

大容量高速开关额定电流大，开断能力强，截流小，速度快，是短路容量较大场所快速有效的保护装置，其应用在短路容量不同的场所，可使系统免受冲击，对设备的动稳定性要求大大降低，从而节省大量资金。

大容量高速开关在电气主接线系统中是一种重要设备，在发生短路事故时能否可靠动作，关系重大，因此，在日常运用管理中要充分掌握其原理和特点，加强运行管理的维护保养，确保大容量高速开关可靠工作。