1、概述
湖南省江埡水電站裝設3臺10萬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臺高壓廠用變?nèi)∽?臺主變的低壓側，變壓比為13.8/10.5kV，10.5kV側采用分段接線方式，未改造前高壓廠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。原高壓廠用變壓器高壓側（即13.8kV側）均采用負荷開關進行保護，運行中出現(xiàn)非正常動作及熔絲燒壞現(xiàn)象，因此結合此次廠用變增容改造，同時對保護設備進行改造。整個改造于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意。現(xiàn)就改造方案的選取及在選型過程需要考慮的主要問題進行探討，對今后正確選用FUR設備及高壓限流熔斷器將會起到一定的作用。
2、改造方案的選取及原方案存在的問題
由于13.8kV原開關設備均為裝柜形式，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行改造完善，為了保證今后的安全運行，在全面了解現(xiàn)有設備的基礎上，擬定了三個方案供選擇比較。
第一方案是更換原有負荷開關，即增加額定電流以滿足廠用變?nèi)萘康淖兓螅朔桨缸顬榉奖愫唵巍谋砻嫔峡矗谡Ｇ闆r下，選擇負荷開關額定電流為1250A或630A均可滿足要求，但若廠用變二次側發(fā)生短路時，考慮廠用變阻抗后，流過一次側的最大電流約為2000A，而目前負荷開關的最大額定電流為1250A，所以不能滿足要求，有可能會出現(xiàn)負荷開關爆炸等嚴重現(xiàn)象的發(fā)生，不是徹底的解決問題的方案。
第二方案是在原有開關柜內(nèi)將負荷開關更換為真空斷路器。通過短路電流計算，當在高壓廠用變高壓側發(fā)生三相短路時，系統(tǒng)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，但由于斷路器實際開斷時間（繼電保護時間與斷路器分閘時間之和）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。實際上，現(xiàn)有常規(guī)斷路器也無法切斷如此大的短路電流，若選用發(fā)電機專用斷路器，其價格十分昂貴，也不能保證短路動作有良好的選擇性，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關，可選擇輕型斷路器，F(xiàn)UR作為保護設備（FU即高壓限流熔斷器，F(xiàn)R為高能氧化鋅過電壓保護器，兩者組合簡稱FUR），F(xiàn)U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，其切斷時間可根據(jù)保護特性進行調(diào)整和選擇，以保證上、下級的動作選擇性，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)絡中的操作過電壓，并將短路網(wǎng)絡中的磁場能量釋放，快速將電流衰減至零。因此使用FUR裝置有如下優(yōu)點：
（1）由于FU的快速性和限流性是由其物理特性所決定，而無機械拒動的可能，所以有較高可靠性；
（2）由于FU的限流性，系統(tǒng)設備不再會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，延長了電氣設備的使用壽命，且設備選擇無需考慮動、熱穩(wěn)定校驗問題；
（3）由于FU的快速性，使故障切斷時間大大縮短；
（4）由于FR的非線型性有效的限制了FU的過電壓，使操作過電壓小于2.5倍的額定相電壓，F(xiàn)R吸收了FU在開斷過程中系統(tǒng)各部分提供的能量，使FU開斷時的電弧能量降低至安全線以下，從而減輕了FU的承受壓力。
FUR的上述這些優(yōu)點克服了方案一、二的某些缺點，且價格較方案二低很多，同時可實現(xiàn)在原有開關柜內(nèi)進行改造，工作量較少，改造時間短。
3、柜內(nèi)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(nèi)安裝的可能性。原柜內(nèi)裝設了一臺高壓負荷開關，在不改變柜體尺寸的情況下，將此開關拆除后，略加改造（即增加相關的支撐件）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(jù)開關的型式及操作、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，引出線易于連接；②在更換FU熔絲時，可斷開斷路器，使FU下觸頭在無電壓情況下更換，保證了人身安全；③FUR裝設在開關柜后板上，支撐容易，且與封閉母線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足要求，但柜內(nèi)需增加一定數(shù)量的設備支撐件及面板現(xiàn)場開孔工作。如果能在FUR前再裝設一組隔離開關，則該方案就更加完美，即當在機組運行時，需更換FU的熔絲時，不會影響機組正常發(fā)電，上、下端均不帶電，人員更加安全。
4、FUR參數(shù)的選擇
FUR參數(shù)的選擇至關重要，應認真分析研究，收集資料。它的參數(shù)既要保證能可靠動作，又要保證在發(fā)生短路事故時能與廠用變低壓側主保護的協(xié)調(diào)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(xiàn)以2500kVA高壓廠用變高壓側FUR的參數(shù)選擇，舉例說明其選擇方法與一般負荷開關和熔斷器選擇方法的主要區(qū)別和應考慮的問題。
4.1按額定電流選
2500kVA廠用變高壓側的額定電流為104.6A，同時考慮變壓器允許過載2小時時按過載系數(shù)為1.3倍不動作，并留有10%的裕度及5%的容差后，計算電流應為157.1A，意味著FU的額定電流選擇為160A，在正常運行情況下不會動作。
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(jù)目前的規(guī)定，當變壓器突然合閘時，勵磁涌流最大為變壓器滿載電流的12倍，持續(xù)時間為0.1s，即勵磁涌流Ic=104.6×12=1254A，考慮到熔絲熔斷時的分散性，應留有20%以上的裕度，即保證在0.1s時熔絲不熔斷的電流Ic’=1505A，查160A的限流熔斷器安—秒特性曲線，在0.1s時的熔斷電流為1600A，能夠避開變壓器勵磁涌流而不熔斷。
4.3按保護配合性選擇
當高壓廠用變低壓側發(fā)生短路時，反應到高壓側的電流估算為104.6/0.06=1743.3A（0.06為廠用變壓器的阻抗電壓值），查160A限流熔斷器的安—秒特性曲線，在1743.3A時相應的熔斷時間為60ms，而低壓側真空斷路器的跳閘動作時間為80ms以上，即當?shù)蛪簜劝l(fā)生短路時，低壓側斷路器在未及時跳閘的情況下，高壓側限流熔斷器即FU既已被熔斷，說明當額定電流為160A時不能與廠用變低壓側主保護相配合。為了使FUR在廠用變低壓側短路時保證動作的選擇性，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，此時熔斷時間為700ms，可以滿足動作選擇性要求。
4.4按FU限流特性及FR殘壓水平進行校驗
當廠用變高壓側發(fā)生三相金屬短路時，根據(jù)250A限流熔斷器的預期電流有效值—截斷電流峰值曲線，根據(jù)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，熔斷時間約為1.1ms，而在廠用變低壓側短路時高壓側電流為1743.3A時的熔斷時間為700ms，可以滿足選擇性要求。同時為了與FU截斷電流相配合，高壓側真空斷路器額定開斷電流必須選擇為40kA，在40kA情況下FU的熔斷時間為即40ms。熱容量I2t分為熔斷件的I2t和弧前I2t，熔斷件的I2t即在給定時間間隔內(nèi)電流平方的積分，弧前的I2t既是在熔斷件整個弧前時間內(nèi)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值進行選擇校驗熔斷件，要比用弧前時間—電流特性選擇校驗更為合理和科學。從廠家給定的熔斷件熱容量曲線可以看出250A的熔斷件I2t值為1.2×106（A2?s）（熔斷時間為0.7s），而斷路器在0.7s時間內(nèi)承受的熱容量為352×0.7=0.857×106（A2?s），小于此時斷路器3s時額定熱容量。因此可以滿足要求，對斷路器是安全的。
由于FR的非線型性和快速導通特性，將操作過電壓限制在2.5倍額定相電壓之內(nèi)，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，更小于出廠時的沖擊耐壓值（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電壓的沖擊，假如沒有FR的作用，其限流熔斷器的操作過電壓將達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，F(xiàn)U的額定電流選定為250A是滿足安全性和可選擇性要求的。同時也必須裝設FR以限制操作過電壓。
5、結語
經(jīng)過理論計算和實踐證明，F(xiàn)UR組合保護裝置有其很大的優(yōu)越性，并已在江埡水電站廠用電系統(tǒng)中成功運用，它減少了設備的誤動率，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，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，又要保證動作的可靠性和選擇性，它不同于一般熔斷器或負荷開關的選擇。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足要求時，可選用負荷開關或FUR組合保護裝置，不論選擇哪種設備，均應滿足動作的可靠性和可選擇性，以及截流過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，應充分考慮熔斷時間與下級斷路器在動作時間上的配合性，并應取得生產(chǎn)廠家準確的電流—時間關系曲線、熱容量曲線等參數(shù)。
（3）應對FU的限流性進行校驗，以便選擇輕型斷路器或負荷開關、隔離開關等電氣設備。
（4）應根據(jù)熔斷時間計算（或查曲線）FU的熱容量，該值應大于斷路器或負荷開關在該熔斷時間內(nèi)的熱容量，且小于其額定時間內(nèi)的熱容量，確保電氣設備在熔斷時間內(nèi)的安全。
（5）由于FR的能量轉移，降低了操作過電壓，有效地保護了主要電氣設備免受過電壓的沖擊，但應對FR的殘壓水平與電氣設備的沖擊耐壓水平進行比較校驗后，才能確定。
（6）如有條件可在發(fā)電機母線引下線處設置一組隔離開關，以便于設備的檢修和更換，同時不影響機組的正常運行。
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