1、概述
湖南省江垭水电站装设3台10万kW的水轮发电机组，电站于1998年至1999年相继投入商业运行，发电机额定电压为13.8kV，3台水轮发电机电压侧采用单机单变—即单元接线方式，主变高压侧为110kV和220kV电压等级送出，其中一台机组接110kV/220kV自耦变压器，另两台机组接220kV双圈变，3台高压厂用变取自3台主变的低压侧，变压比为13.8/10.5kV，10.5kV侧采用分段接线方式，未改造前高压厂用变压器的额定容量为1250kVA，改造后新增一台2500kVA的变压器接1台机组，一台机组接1250kVA变压器不变，另一台机组采用2台1250kVA并列运行。原高压厂用变压器高压侧（即13.8kV侧）均采用负荷开关进行保护，运行中出现非正常动作及熔丝烧坏现象，因此结合此次厂用变增容改造，同时对保护设备进行改造。整个改造于2002年元月完成，至今已运行近3年，效果良好，业主及运行人员对此非常满意。现就改造方案的选取及在选型过程需要考虑的主要问题进行探讨，对今后正确选用FUR设备及高压限流熔断器将会起到一定的作用。
2、改造方案的选取及原方案存在的问题
由于13.8kV原开关设备均为装柜形式，且地方狭窄，不可能再增加设备位置，只能在原有设备的基础上进行改造完善，为了保证今后的安全运行，在全面了解现有设备的基础上，拟定了三个方案供选择比较。
第一方案是更换原有负荷开关，即增加额定电流以满足厂用变容量的变化要求，此方案最为方便简单。从表面上看，在正常情况下，选择负荷开关额定电流为1250A或630A均可满足要求，但若厂用变二次侧发生短路时，考虑厂用变阻抗后，流过一次侧的最大电流约为2000A，而目前负荷开关的最大额定电流为1250A，所以不能满足要求，有可能会出现负荷开关爆炸等严重现象的发生，不是彻底的解决问题的方案。
第二方案是在原有开关柜内将负荷开关更换为真空断路器。通过短路电流计算，当在高压厂用变高压侧发生三相短路时，系统各设备提供的最大短路电流达到77.9kA（自耦变侧）和54.4kA（双圈变侧），假定断路器能切断如此大的短路电流，但由于断路器实际开断时间（继电保护时间与断路器分闸时间之和）大于80ms，所以在短路故障切除之前，与之相连接的电气设备将受到3个周波以上的大短路电流冲击，几次这样大的短路电流冲击必然对设备带来很大的损害，影响其使用寿命和经济效益的充分发挥。实际上，现有常规断路器也无法切断如此大的短路电流，若选用发电机专用断路器，其价格十分昂贵，也不能保证短路动作有良好的选择性，也难以避免大短路电流的冲击。
第三方案是采用FUR组合装置加真空断路器的组合方案。真空断路器仅作为操作电气设备代替负荷开关，可选择轻型断路器，FUR作为保护设备（FU即高压限流熔断器，FR为高能氧化锌过电压保护器，两者组合简称FUR），FU的限流性和快速性使得在短路电流远未达到最大值之前就切断短路电流，其切断时间可根据保护特性进行调整和选择，以保证上、下级的动作选择性，从而达到保护设备的目的。而FR的降压性和移能性限制了网络中的操作过电压，并将短路网络中的磁场能量释放，快速将电流衰减至零。因此使用FUR装置有如下优点：
（1）由于FU的快速性和限流性是由其物理特性所决定，而无机械拒动的可能，所以有较高可靠性；
（2）由于FU的限流性，系统设备不再会受到预期短路冲击电流的冲击，有效避免了因穿越故障电流而损坏设备的事故，延长了电气设备的使用寿命，且设备选择无需考虑动、热稳定校验问题；
（3）由于FU的快速性，使故障切断时间大大缩短；
（4）由于FR的非线型性有效的限制了FU的过电压，使操作过电压小于2.5倍的额定相电压，FR吸收了FU在开断过程中系统各部分提供的能量，使FU开断时的电弧能量降低至安全线以下，从而减轻了FU的承受压力。
FUR的上述这些优点克服了方案一、二的某些缺点，且价格较方案二低很多，同时可实现在原有开关柜内进行改造，工作量较少，改造时间短。
3、柜内结构方案的设计
在确定了采用普通真空断路器加FUR组合保护装置方案后，在不增加外置设备及占地的情况下，分析所增加的设备在柜内安装的可能性。原柜内装设了一台高压负荷开关，在不改变柜体尺寸的情况下，将此开关拆除后，略加改造（即增加相关的支撑件）自上而下依次布置FU的撞击机构、FU、FR及真空断路器。真空断路器仅作为切断负荷电流之用，因此它安装在FUR之前或之后都是可取的，根据开关的型式及操作、检修及维护更换设备的方便，在此次改造中，将真空断路器布置在FUR之后，主要原因是①断路器操作机构易于安装，引出线易于连接；②在更换FU熔丝时，可断开断路器，使FU下触头在无电压情况下更换，保证了人身安全；③FUR装设在开关柜后板上，支撑容易，且与封闭母线套管和真空断路器连接方便，经校核安装尺寸及带电距离均可满足要求，但柜内需增加一定数量的设备支撑件及面板现场开孔工作。如果能在FUR前再装设一组隔离开关，则该方案就更加完美，即当在机组运行时，需更换FU的熔丝时，不会影响机组正常发电，上、下端均不带电，人员更加安全。
4、FUR参数的选择
FUR参数的选择至关重要，应认真分析研究，收集资料。它的参数既要保证能可靠动作，又要保证在发生短路事故时能与厂用变低压侧主保护的协调配合，这样即保证了选择性又起到使主设备免遭冲击的`作用，现以2500kVA高压厂用变高压侧FUR的参数选择，举例说明其选择方法与一般负荷开关和熔断器选择方法的主要区别和应考虑的问题。
4.1按额定电流选
2500kVA厂用变高压侧的额定电流为104.6A，同时考虑变压器允许过载2小时时按过载系数为1.3倍不动作，并留有10%的裕度及5%的容差后，计算电流应为157.1A，意味着FU的额定电流选择为160A，在正常运行情况下不会动作。
4.2按变压器承受的冲击电流选择
保护变压器用的熔断器应能承受变压器励磁涌流冲击而不熔断。根据目前的规定，当变压器突然合闸时，励磁涌流最大为变压器满载电流的12倍，持续时间为0.1s，即励磁涌流Ic=104.6×12=1254A，考虑到熔丝熔断时的分散性，应留有20%以上的裕度，即保证在0.1s时熔丝不熔断的电流Ic’=1505A，查160A的限流熔断器安—秒特性曲线，在0.1s时的熔断电流为1600A，能够避开变压器励磁涌流而不熔断。
4.3按保护配合性选择
当高压厂用变低压侧发生短路时，反应到高压侧的电流估算为104.6/0.06=1743.3A（0.06为厂用变压器的阻抗电压值），查160A限流熔断器的安—秒特性曲线，在1743.3A时相应的熔断时间为60ms，而低压侧真空断路器的跳闸动作时间为80ms以上，即当低压侧发生短路时，低压侧断路器在未及时跳闸的情况下，高压侧限流熔断器即FU既已被熔断，说明当额定电流为160A时不能与厂用变低压侧主保护相配合。为了使FUR在厂用变低压侧短路时保证动作的选择性，熔断器的额定电流应选高一级即250A，查250A限流熔断器的安—秒特性曲线，此时熔断时间为700ms，可以满足动作选择性要求。
4.4按FU限流特性及FR残压水平进行校验
当厂用变高压侧发生三相金属短路时，根据250A限流熔断器的预期电流有效值—截断电流峰值曲线，根据短路电流计算结果（在自耦变压器低压侧）最大运行方式下的短路电流值为77.9kA，可以查到其截断电流峰值为35kA，熔断时间约为1.1ms，而在厂用变低压侧短路时高压侧电流为1743.3A时的熔断时间为700ms，可以满足选择性要求。同时为了与FU截断电流相配合，高压侧真空断路器额定开断电流必须选择为40kA，在40kA情况下FU的熔断时间为即40ms。热容量I2t分为熔断件的I2t和弧前I2t，熔断件的I2t即在给定时间间隔内电流平方的积分，弧前的I2t既是在熔断件整个弧前时间内电流平方的积分，两者从概念上是不同的。为了保证熔断器的安全性和可靠性，采用熔断件的I2t值与被保护设备的I2t值进行选择校验熔断件，要比用弧前时间—电流特性选择校验更为合理和科学。从厂家给定的熔断件热容量曲线可以看出250A的熔断件I2t值为1.2×106（A2?s）（熔断时间为0.7s），而断路器在0.7s时间内承受的热容量为352×0.7=0.857×106（A2?s），小于此时断路器3s时额定热容量。因此可以满足要求，对断路器是安全的。
由于FR的非线型性和快速导通特性，将操作过电压限制在2.5倍额定相电压之内，其残压值约为U=2.5×（根号）2?Ue/3=28.17kV，残压值小于运行中发电机及变压器的冲击耐压值29.3kV，更小于出厂时的冲击耐压值（额定电压为13.8kV），因此FR可避免发电机及变压器免受操作过电压的冲击，假如没有FR的作用，其限流熔断器的操作过电压将达38kV以上，已经大于运行中发电机及变压器的最大冲击耐压值35.2kV，将会使设备受到很大的电压冲击而损坏，缩短了使用寿命，影响机组经济效益的发挥和设备的投资，因此设备FR的作用是不可低估的。
从以上各方面的分析计算可以看出，FU的额定电流选定为250A是满足安全性和可选择性要求的。同时也必须装设FR以限制操作过电压。
5、结语
经过理论计算和实践证明，FUR组合保护装置有其很大的优越性，并已在江垭水电站厂用电系统中成功运用，它减少了设备的误动率，有效的保护了主要电气设备，提高了电站的经济效益。但在选用该设备时，应多方案比较，综合考虑和计算，既要保证电站安全的安全性，又要保证动作的可靠性和选择性，它不同于一般熔断器或负荷开关的选择。从该电站的选型中可得出以下结论，也是在通常设计中易于忽视的方面/问题：
（1）对短路电流较大的电站，在选用普通真空断路器不能满足要求时，可选用负荷开关或FUR组合保护装置，不论选择哪种设备，均应满足动作的可靠性和可选择性，以及截流过电压对主要设备的危害性。
（2）FUR组合设备中FU即高压限流熔断器的额定电流选择不能单纯按负荷电流选择，应充分考虑熔断时间与下级断路器在动作时间上的配合性，并应取得生产厂家准确的电流—时间关系曲线、热容量曲线等参数。
（3）应对FU的限流性进行校验，以便选择轻型断路器或负荷开关、隔离开关等电气设备。
（4）应根据熔断时间计算（或查曲线）FU的热容量，该值应大于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，确保电气设备在熔断时间内的安全。
（5）由于FR的能量转移，降低了操作过电压，有效地保护了主要电气设备免受过电压的冲击，但应对FR的残压水平与电气设备的冲击耐压水平进行比较校验后，才能确定。
（6）如有条件可在发电机母线引下线处设置一组隔离开关，以便于设备的检修和更换，同时不影响机组的正常运行。
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