關於水電站廠用電應用分析相關論文
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1、概述
湖南省江埡水電站裝設3臺10萬kW的水輪發電機組，電站於1998年至1999年相繼投入商業執行，發電機額定電壓為13.8kV，3臺水輪發電機電壓側採用單機單變—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臺高壓廠用變取自3臺主變的低壓側，變壓比為13.8/10.5kV，10.5kV側採用分段接線方式，未改造前高壓廠用變壓器的額定容量為1250kVA，改造後新增一臺2500kVA的變壓器接1臺機組，一臺機組接1250kVA變壓器不變，另一臺機組採用2臺1250kVA並列執行。原高壓廠用變壓器高壓側（即13.8kV側）均採用負荷開關進行保護，執行中出現非正常動作及熔絲燒壞現象，因此結合此次廠用變增容改造，同時對保護裝置進行改造。整個改造於2002年元月完成，至今已執行近3年，效果良好，業主及執行人員對此非常滿意。現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，對今後正確選用FUR裝置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
由於13.8kV原開關裝置均為裝櫃形式，且地方狹窄，不可能再增加裝置位置，只能在原有裝置的基礎上進行改造完善，為了保證今後的安全執行，在全面瞭解現有裝置的基礎上，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容量的變化要求，此方案最為方便簡單。從表面上看，在正常情況下，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生短路時，考慮廠用變阻抗後，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，有可能會出現負荷開關爆炸等嚴重現象的發生，不是徹底的解決問題的方案。
第二方案是在原有開關櫃內將負荷開關更換為真空斷路器。透過短路電流計算，當在高壓廠用變高壓側發生三相短路時，系統各裝置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，但由於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）大於80ms，所以在短路故障切除之前，與之相連線的電氣裝置將受到3個周波以上的大短路電流衝擊，幾次這樣大的短路電流衝擊必然對裝置帶來很大的損害，影響其使用壽命和經濟效益的充分發揮。實際上，現有常規斷路器也無法切斷如此大的短路電流，若選用發電機專用斷路器，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衝擊。
第三方案是採用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裝置代替負荷開關，可選擇輕型斷路器，FUR作為保護裝置（FU即高壓限流熔斷器，FR為高能氧化鋅過電壓保護器，兩者組合簡稱FUR），FU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，其切斷時間可根據保護特性進行調整和選擇，以保證上、下級的動作選擇性，從而達到保護裝置的目的。而FR的降壓性和移能性限制了網路中的操作過電壓，並將短路網路中的磁場能量釋放，快速將電流衰減至零。因此使用FUR裝置有如下優點：
（1）由於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）由於FU的限流性，系統裝置不再會受到預期短路衝擊電流的衝擊，有效避免了因穿越故障電流而損壞裝置的事故，延長了電氣裝置的使用壽命，且裝置選擇無需考慮動、熱穩定校驗問題；
（3）由於FU的快速性，使故障切斷時間大大縮短；
（4）由於FR的非線型性有效的限制了FU的過電壓，使操作過電壓小於2.5倍的額定相電壓，FR吸收了FU在開斷過程中系統各部分提供的`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，同時可實現在原有開關櫃內進行改造，工作量較少，改造時間短。
3、櫃內結構方案的設計
在確定了採用普通真空斷路器加FUR組合保護裝置方案後，在不增加外接裝置及佔地的情況下，分析所增加的裝置在櫃內安裝的可能性。原櫃內裝設了一臺高壓負荷開關，在不改變櫃體尺寸的情況下，將此開關拆除後，略加改造（即增加相關的支撐件）自上而下依次佈置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之前或之後都是可取的，根據開關的型式及操作、檢修及維護更換裝置的方便，在此次改造中，將真空斷路器佈置在FUR之後，主要原因是①斷路器操作機構易於安裝，引出線易於連線；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裝設在開關櫃後板上，支撐容易，且與封閉母線套管和真空斷路器連線方便，經校核安裝尺寸及帶電距離均可滿足要求，但櫃內需增加一定數量的裝置支撐件及面板現場開孔工作。如果能在FUR前再裝設一組隔離開關，則該方案就更加完美，即當在機組執行時，需更換FU的熔絲時，不會影響機組正常發電，上、下端均不帶電，人員更加安全。
4、FUR引數的選擇
FUR引數的選擇至關重要，應認真分析研究，收集資料。它的引數既要保證能可靠動作，又要保證在發生短路事故時能與廠用變低壓側主保護的協調配合，這樣即保證了選擇性又起到使主裝置免遭衝擊的作用，現以2500kVA高壓廠用變高壓側FUR的引數選擇，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小時時按過載係數為1.3倍不動作，並留有10%的裕度及5%的容差後，計算電流應為157.1A，意味著FU的額定電流選擇為160A，在正常執行情況下不會動作。
4.2按變壓器承受的衝擊電流選擇
保護變壓器用的熔斷器應能承受變壓器勵磁湧流衝擊而不熔斷。根據目前的規定，當變壓器突然合閘時，勵磁湧流最大為變壓器滿載電流的12倍，持續時間為0.1s，即勵磁湧流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湧流而不熔斷。
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，即當低壓側發生短路時，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
當廠用變高壓側發生三相金屬短路時，根據250A限流熔斷器的預期電流有效值—截斷電流峰值曲線，根據短路電流計算結果（在自耦變壓器低壓側）最大執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電流平方的積分，弧前的I2t既是在熔斷件整個弧前時間內電流平方的積分，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，採用熔斷件的I2t值與被保護裝置的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時間內承受的熱容量為352×0.7=0.857×106（A2?s），小於此時斷路器3s時額定熱容量。因此可以滿足要求，對斷路器是安全的。
由於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，其殘壓值約為U=2.5×（根號）2?Ue/3=28.17kV，殘壓值小於執行中發電機及變壓器的衝擊耐壓值29.3kV，更小於出廠時的衝擊耐壓值（額定電壓為13.8kV），因此FR可避免發電機及變壓器免受操作過電壓的衝擊，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，已經大於執行中發電機及變壓器的最大沖擊耐壓值35.2kV，將會使裝置受到很大的電壓衝擊而損壞，縮短了使用壽命，影響機組經濟效益的發揮和裝置的投資，因此裝置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，FU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
經過理論計算和實踐證明，FUR組合保護裝置有其很大的優越性，並已在江埡水電站廠用電系統中成功運用，它減少了裝置的誤動率，有效的保護了主要電氣裝置，提高了電站的經濟效益。但在選用該裝置時，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，它不同於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於忽視的方面/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，不論選擇哪種裝置，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裝置的危害性。
（2）FUR組合裝置中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，並應取得生產廠家準確的電流—時間關係曲線、熱容量曲線等引數。
（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、隔離開關等電氣裝置。
（4）應根據熔斷時間計算（或查曲線）FU的熱容量，該值應大於斷路器或負荷開關在該熔斷時間內的熱容量，且小於其額定時間內的熱容量，確保電氣裝置在熔斷時間內的安全。
（5）由於FR的能量轉移，降低了操作過電壓，有效地保護了主要電氣裝置免受過電壓的衝擊，但應對FR的殘壓水平與電氣裝置的衝擊耐壓水平進行比較校驗後，才能確定。
（6）如有條件可在發電機母線引下線處設定一組隔離開關，以便於裝置的檢修和更換，同時不影響機組的正常執行。