紫坪铺电厂FUR组合保护装置的选择与参数设计

王 中 元

(四川省紫坪铺开发有限责任公司，四川 成都 610091)

0 引 言

水电厂的厂用变分支和励磁变分支,一般都接在发电机出口处,此处通常不设断路器保护,让厂用变分支、励磁变分支与发电机出口的离相封闭母线硬连接,采用单相设备,尽量避免相间短路的可能性,一旦发生短路也可由发电机或发变组的大差动来保护。事实上,它不能快速切除故障, 限制短路电流,尤其不能反映厂高变、励磁变内部故障,直接影响设备寿命和电厂的安全。随着电力技术的不断进步, 高压限流熔断器组合保护装置(简称FUR)以其体积小、结构简单、价格低廉、保护性能优越等特点,在国内外获得广泛应用。

1 紫坪铺电厂短路电流计算

1.1 一次系统图及等效电路图

紫坪铺电厂单机一次系统图见图1(以4号机组为例)。其中红色线框内为后加装的高压限流熔断器组合保护装置FUR，包括限流熔断器FU、氧化锌电阻FR。等效电路图见图2。

1.2 短路电流计算

标幺值计算：

主变4B：X4B=0.146×(100/240)=0.0608

发电机4F:X4F=0.201×(100/190)×0.875=0.0926

厂变4CB：X4CB=0.078 5×(100/1.6)

图1 一次系统图

图2 等效电路图

=4.9063

励磁变4LB：X4LB=0.061 4×(100/2.04)

=3.0098

13.8 kV母线短路时：

发电机提供的短路电流有效值:

主变压器提供的短路电流为：

K1短路点预期短路电流为:

IK=I4F+I4B=113.89 kA

预期短路电流峰值为：

预期短路冲击电流值为：

4CB厂用变低压侧短路反应到高压侧的电流为：

=0.847kA=847A

4LB励磁变低压侧短路反应到高压侧的电流为：

=1.374 kA

2 紫坪铺电厂原一次系统存在的问题

通过以上计算,我们可以看出当厂高变和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113.89 kA，预期短路冲击电流值可达到296.3 kA。厂高变高压侧的预期短路电流有效值是厂高变额定电流的1294倍，远远超出了厂高变允许的承受能力。如果厂高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，必将发生变压器的爆炸事故(励磁变同理)。

由于断路器实际开断时间(继电保护动作的时间20 ms与断路器的切除时间40 ms之和)大于60 ms，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。

若加装FUR装置后，短路电流可由FUR开断(某FUR开断电流可达到160 kA)。

3 紫坪铺电厂选择FUR的必要性

针对以上情况，紫坪铺电厂决定在原系统中厂高变和励磁变高压侧加装FUR。

使用FUR以后，当出现厂用变和励磁变一次侧短路时，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，仅为预期短路冲击电流的1/5～1/10。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FUR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20 ms之内切除故障，才能避免变压器的损坏事故。

(3)由于FUR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，从而大大提高开断可靠性。

4 紫坪铺电厂FUR的参数设计

4.1 FUR组合保护装置设计中应坚持的原则

(1)在FUR组合保护装置的应用设计前,应先进行系统的短路电流计算,对保护设置方案进行技术及经济分析,以确定是否选用FUR组合保护装置。

(2)在选择FUR组合设备的参数时,应取得生产厂家准确的电流―时间关系曲线、热容量(I2t)曲线等各种技术参数图表,为FUR额定参数的选择及校验做好准备。

(3)在选择FU额定电流时,不能单纯按负荷电流进行选择,还应充分考虑变压器突然合闸时的磁化冲击电流的影响和与上一级保护断路器在动作时间上的配合性(即其熔断时间应大于上一级的动作时间)，这是非常重要的。

(4)在FU的额定电流选定后,还应对FU的限流性及热容量(I2t) 进行校验,以便选择同柜内的轻型断路器(或负荷开关)、隔离开关等电气设备。根据熔断时间计算出(或查曲线得知)FU的热容量,该值应大于同柜内断路器或负荷开关在该熔断时间内的热容量,且小于其额定时间内的热容量,确保这些设备在熔断时间内的安全。

(5)应对FR的残压水平与电气设备的冲击耐压水平进行比较校验,以确认FR 是否有效地降低了操作过电压,保护了主要电气设备免受过电压的冲击。

(6)对于新建和现场条件允许的工程,应制作专用柜体,采用隔离开关、撞击机构、FR、FU、真空断路器的完整组合形式,以方便设备维护和安全更换FU熔丝。

按照以上原则，我们对紫坪铺电厂厂高变、励磁变的FUR进行如下设计分析。

4.2 厂高变FUR参数设计

4.2.1 FU的设计

(1)IN应不小于厂用变高压侧额定电流，IN≥67 A

(2)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≥67×1.1×1.05×1.3=101 A

(3)根据软件仿真模拟和等效计算变压器突然合闸时熔丝安全。

(4)厂用变低压侧短路时，反应到高压侧的电流为: 847 A

此时，熔断器的熔断时间应至少比用户提供的厂用变低压侧线路过流保护动作时间延长0.3 s,以使熔断器能保证厂用变低压侧短路时，有选择地跳开低压侧开关，并可作厂用变过流保护的后备保护。综上所述，FU选额定电流IN=150 A。查安-秒特性曲线可知150 A熔断器安秒特性：

①厂用变低压侧短路时熔断器的熔断时间为0.8 s。

②IN=150 A的熔断器的熔断电流能避开变压器磁化电流冲击的要求。

③ FU限流特性和I2t特性

截断时间：

截止电流：Ip=20 kA

注：截止电流由截流特性曲线查得，150 A熔断器在预期短路电流113.89 kA时，截止电流为20 kA。

故FUR1的额定电流取IN=150 A。

4)FU其他参数

额定电压:13.8 kV/442 mm 额定电流：150 A

4.2.2 FR的设计

4.3 励磁变FUR参数设计

4.3.1 FU的设计

(1)IN不小于励磁变高压侧额定电流的1.4倍，即IN≥119.49 A

(2)发电机励磁变低压侧短路时，反应到高压侧的电流为1 374 A。

(3)熔断器应保证发电机在3倍强行励磁状态下不动作；

IR≥3×85.35=256.05 A

综上，可取各励磁变FU额定电流IN为125 A，13.8 kV。查安-秒特性曲线可知125 A熔断器安秒特性：

①厂用变低压侧短路时熔断器的熔断时间为0.08 s。

②FU最小熔化电流300 A，约为励磁变额定电流的3.5倍，熔断器在发电机强励时不动作。

③ FU限流特性和I2t特性

截断时间：

截止电流:Ip=18 kA

(注：截止电流由截流特性曲线查得，125A熔断器在预期短路电流113.89 kA时，截止电流为18 kA。)

故FUR2的额定电流取IN=125 A。

④FU其他参数

额定电压:13.8 kV/442 mm 额定电流：125 A

4.3.2 FR的设计

5 结 语

紫坪铺电厂机端短路电流较大，选用普通真空断路器或负荷开关不能满足设备保护的要求,采用FUR组合保护装置作为厂高变等主要设备的保护设备是一种比较理想的选择，在可靠性、安全性、经济性等方面具有相当的优越性。按上述参数设计选型的FUR组合保护装置在紫坪铺电厂已安全运行近十年，得到了很好的实践验证。我们在FUR实际使用过程中, 还应注意以下问题:

(1) 定期检查清洁。

(2) 定期测量熔体电阻值的变化。

(3) 一般使用5年以上的熔断器,应考虑更换新熔体管。