浅谈大容量高速断路器的应用

关又称断路器，是电力系统中最重要的电力设备之一。它在电网中的基本任务是：第一，根据电网运行的需要，将一部分线路或电力设备投入或退出运行，以此对电网的运行方式进行控制，在这种情况下，开关的触头承载的是负荷电流；第二，当线路或电力设备发生故障时，开关可将故障部分从电网中快速切除，以保证无故障部分正常运行，保护电网的安全，此时，开关的触头承载的是故障电流或短路电流。

短路电流的最大峰值往往出现在第一个周波内，而且非周期分量很大，通常几个周波内不过零。同时，断路器的动作时间相对于故障发生的时刻有一定的滞后，再加上继电保护所形成的时间差，在开断时间内短路电流的峰值已经数次冲击发电机、断路器和变压器等被保护设备，经过几次重大事故，就有可能造成设备的损坏，进而增加运行维护和检修的成本。另外，断路器正常工作时的额定电流与发生短路故障时的短路电流相差过大，尤其是现代电力系统容量的不断增大，短路电流值也不断上升，强大的短路电流产生的电动力破坏性更大，断路器必须按照开断短路电流进行选择，设备、线路及断路器本身就要求设计有足够的热稳定、动稳定裕度，设备的投资就会加大，造价过高。因此，随着电力系统的不断发展，越来越需要断路器能够在故障瞬时就发现并以最快的速度切断短路电流，避免被保护设备及开关本身受到巨大的热冲击和电动力作用。

1、问题的提出

某公司110kV变电站接入110kV系统电源，同时采用自备电厂的10kV作为备用电源，实现并网运行。其一次系统接线方式如图1. 请登陆：输配电设备网 浏览更多信息

图1 两电源并网运行系统接线图

随着系统容量的增大，变电站负荷侧发生三相短路时存在下列问题。

发电机出口断路器遮断容量不足，不能开断短路电流。

利用主变压器或发电机出口断路器切断短路电流，断路器的开断时间过长，达80~140ms，会对主变压器及发电机产生故障冲击，发电机故障将引起主变压器停运，危害主设备安全。对系统方式影响较大。

2、解决方法

针对现用断路器存在问题，为了使负荷侧断路器的开断电流减小，并降低工程造价，采用了一种新型大容量高速断路器装置（简称FSR装置）与电抗器并联的接线方式。正常运行时，FSR将电抗器短接，避免了电抗器巨大的电能损耗，并抑制了大型电动机启动时的电压降；短路时，FSR快速断开，负荷侧断路器的开断电流经电抗器限流到允许范围。

3、大容量高速断路器的组成及功能

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FSR装置主要由断路器DL、爆炸式快速开断载流桥体FS、高压限流熔断器FU、非线性电阻FR及测控装置组成。

3.1、载流桥体FS

图2 FSR装置组成示意图

因FS的电阻与熔断器FU电阻的比值为1∶2000，故正常时工作电流经FS流过，故障时，接到测控单元的命令后，在0.15ms之内爆炸断开，电流转移至熔断器FU.

3.2、熔断器FU

FS断开后，全部短路电流转移至熔断器FU，在0.5ms内FU熔断，并产生足够的弧压。

3.3、非线性电阻FR

FU熔断时产生的弧压使其导通，吸收电感中存在的磁能及电源注入的能量，使FU顺利熄弧，同时把开断时的过电压限制在2.5倍的额定相电压之内。

3.4、测控单元

测控单元的测控数据为检测电流i和电流的变化率di/dt，当电流幅值和电流变化率同时超过整定值时，判断为短路发生，采用三个相同独立工作的CPU部件，以“三取二”表决方式判断，向FS发出分段命令。

4、FSR装置的工作原理

在正常运行和正常操作时，负荷电流流过真空断路器后，再流过爆炸式载流桥体与熔断器，其中98%以上的负荷电流流过爆炸式载流桥体，2%的负荷电流流过熔断器。

当设备发生故障时，主电路中的电流幅值和电流变化率超过整定值，测控单元判断有短路电流，向桥体中发送电脉冲引爆爆炸装置，载流桥体断开，将全部电流加在高压限流熔断器上，高压限流熔断器在2ms内熔断，产生的弧压由高能氧化锌非线性电阻限制并吸收。在大容量高速断路器装置完成了短路断开功能后，与熔断器配合的负荷开关，只要求能够开断额定电流和一般过载电流，对关合短路电流及承载短路电流的动稳定性和热稳定性则无要求。

5、FSR装置的特点

限流性 由于FSR的限流性，短路电流在初始上升阶段即加以限制，不可能达到短路冲击电流的峰值，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，大大提高了设备动稳定和热稳定方面的安全裕度。

快速性 故障电流在1ms内被截流，3ms之内衰减到0，故障被完全切除，更能有效地保护设备。而一般断路器至少要60ms才能切除故障。

灵敏度高 由于FSR装置增加了电流变化率作为启动判据，故障时电流变化率增加更明显，使灵敏度更高

容量大 配置大容量的非线性电阻，吸收开断过程中磁能，开断容量可不受限制。

6、FSR装置的运行要求

当发生三相短路故障时，电抗器应可靠投入，从而要求FSR装置在短路电流上升的初始阶段应可靠断开，故FSR动作值应取90%的三相短路电流值。

正常运行时，FSR启动电流应能躲过负载允许的短时过载电流。取1.3倍的可靠系数。

7、FSR装置的应用

7.1、应用于发电机出口

应用于发电机出口见图3.发电机出口端或其附近发生短路故障时，短路电流的幅值大，从短路开始到电流第一次过零，经历的时间长，大约需要20~150ms.这会给发电机造成很大的危害，同时对保护设备有更高的要求。用FSR保护发电机出口端短路故障，具有很好的保护作用，因为在短路电流最大值未通过发电机时，FSR将故障电源直接切除；也可以采用FSR与限流电抗器并联的方式，正常运行时FSR将电抗器短接；故障时FSR快速断开，故障电流流过限流电抗器，电抗器将故障电流限制在允许范围以内，仍能保证系统正常运行。

图3 FSR用于发电机出口

FSR也可以应用在厂用变压器分支、励磁变压器分支，见图4。有效避免变压器因穿越性故障而损坏的事故。

图4 FSR用于厂用变压器分支

7.2、应用于系统扩建或联网运行时

在系统扩建时，FSR用于电源联络见图5.原有断路器设备不必更换。可提高系统供电可靠性，减少重负载启动时的压降。实现经济运行。

图5 FSR用于电源联络

FSR应用于母联位置，见图6.当系统一旦发生短路故障，由于负荷侧断路器只按单台变压器提供的短路电流进行配置，FSR可以快速限流，将系统解列。

图6 FSR用于母线联络

7.3、FSR与电抗器并联

FSR与电抗器并联见图7.在正常运行时FSR将电抗器短接，避免了电抗器巨大的电能损耗和大型电动机启动时的电压降。短路时FSR快速断开，负荷侧断路器的开断电流受电抗器限制到允许范围。

图7 FSR与电抗器并联

在供用电系统设计时，可加大电抗器阻抗，使负荷侧断路器的开断电流进一步减小，降低造价。

7.4、FSR用于重要负荷

FSR用于重要负荷见图8.若线路中带有重要用户，不允许瞬时断电，或须强行自启动的重要负荷，线路短路时，FSR快速断开，将电抗器投入，电抗器上的残压，可设计得足以维持重要负荷连续运行，而不受影响。

图8 FSR用于重要负荷的线路

由于FSR组成器件的物理特性决定了FSR的快速性和限流性，因此与传统的断路器相比较，不存在机械拒动，可靠性高。应用FSR可以使发电机、变压器及短路器不再受短路电流峰值的冲击，延长了设备使用寿命。目前，该装置已在刘家峡水电厂、乌兰浩特热电厂、漳泽发电厂、兰州化学工业公司等单位投入使用，取得了很好的效果。