雍成林 朱承明

（江蘇省江都水利工程管理處，江蘇揚(yáng)州 225200）

1 工程概述

江都水利樞紐共有4座泵站：一站、二站裝有8臺(tái)水泵機(jī)組，配1000 kW同步發(fā)電機(jī)；三站裝有10臺(tái)水泵機(jī)組，配1600 kW同步電機(jī)；四站裝有7臺(tái)水泵機(jī)組，配3400 kW同步電機(jī)，總裝機(jī)容量55800 kW。主接線見圖1，單回路110 kV供電線路，供江都站變電所。該變電所裝有2臺(tái)主變，供一站、二站、三站6 kV主電源，由江都站變電所轉(zhuǎn)供110 kV電源至四站專用變電所，該變電所設(shè)有1臺(tái)主變，供四站6 kV主電源。原江都站變電所及四站專用變電所是隨江都四站泵站建設(shè)逐步擴(kuò)建而成的，經(jīng)近40年運(yùn)用，設(shè)備陳舊老化嚴(yán)重。隨著南水北調(diào)東線工程實(shí)施，其已不能適應(yīng)年運(yùn)行8000 h的需要，綜合考慮，易地新建1座變電所。

圖1 江都站電氣主接線簡圖

2 大容量高速開關(guān)應(yīng)用

江都站新建變電所仍設(shè)有3臺(tái)主變，正常分列運(yùn)行，運(yùn)行方式為：1#主變?yōu)?0000 kVA，向一站、二站供電，并為三站提供備用；2#主變?yōu)?5000 kVA，向三站供電，可為一站、二站提供部分備用，并為三站發(fā)電提供上網(wǎng)通道；3#主變?yōu)?1500 kVA，向四站供電。

根據(jù)江都站所處電網(wǎng)容量和江都站變電所主接線及運(yùn)行方式，其網(wǎng)絡(luò)阻抗圖見圖2，計(jì)算出電網(wǎng)短路電流和主電機(jī)反饋電流見表1，其中分為：1#主變供一站、二站；2#主變供三站；1#主變供一站、二站、三站；2#主變供一站、三站或二站、三站；3#主變供四站。由此，6 kV主接線開關(guān)選擇方案有：

（1）按短路時(shí)電流直接選擇開關(guān)。優(yōu)點(diǎn)是：主接線簡潔；缺點(diǎn)是：主要開關(guān)的開斷電流達(dá)50 kA，原已改造的一站、二站開關(guān)需要全部更換，三站、四站開關(guān)需增大容量，改造費(fèi)用及三站、四站開關(guān)設(shè)備費(fèi)用增加太大，粗略估算僅設(shè)備投資增加約450萬元。

圖2 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)幺值阻抗簡圖

表1 江都站6 kV側(cè)短路電流計(jì)算表

（2）仍設(shè)電抗器。優(yōu)點(diǎn)是：主接線簡單可靠；缺點(diǎn)是：需建專門的電抗器室，占用空間大。

（3）采用大容量高速開關(guān)。優(yōu)點(diǎn)是：方法簡便、技術(shù)先進(jìn)、在電力系統(tǒng)已有大量成功應(yīng)用，且體積較小，顯著優(yōu)點(diǎn)是總體投資較少，一臺(tái)大容量高速開關(guān)僅需約45萬元，6 kV主接線中開關(guān)容量及費(fèi)用可大大降低；缺點(diǎn)是：缺乏運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)。

經(jīng)綜合比較，此次江都站變電所選用大容量高速開關(guān)方案。

3 大容量高速開關(guān)基本原理和動(dòng)作參數(shù)

3.1 大容量高速開關(guān)基本原理

大容量高速開關(guān)原理見圖3，其結(jié)構(gòu)由載流橋體FS、熔斷器FU、非線性電阻FR、電流互感器CT、測(cè)控單元等組成。

載流橋體FS由兩梅花銅觸指對(duì)接銀焊而成，中間裝有高效炸藥及電雷管，正常流過工作電流，短路故障發(fā)生時(shí)接到測(cè)控單元的分?jǐn)嗝詈?，? ms內(nèi)引爆快速斷開；熔斷器FU為高壓限流熔斷器，在FS開斷后，強(qiáng)大的短路電流轉(zhuǎn)入FU中，經(jīng)0.5 msFU熔斷；非線性電阻FR為氧化鋅非線性阻件，在FU熔斷時(shí)弧壓作用下由截止變?yōu)閷?dǎo)通，吸收磁能，并把過電壓限制在允許的2.5倍相電壓之內(nèi)；電流互感器為特別設(shè)計(jì)，在故障情況下，電流信號(hào)基本不失真，不滯后；測(cè)控單元用于檢測(cè)主電路電流幅值和電流變化率，利用短路時(shí)電流變化率比正常時(shí)大這一特點(diǎn)，在短路瞬間，向橋體發(fā)出分?jǐn)嘈盘?hào)，在短路電流尚未達(dá)到預(yù)期峰值時(shí)，先于故障電路保護(hù)裝置和斷路器動(dòng)作（斷路器全分閘時(shí)間一般至少需80～120 ms），迅速切斷電網(wǎng)故障電路。

大容量高速開關(guān)裝置的動(dòng)作電流波型如圖4所示。一旦短路故障發(fā)生，在 1 ms之內(nèi)截流（t1處），3 ms之內(nèi)斷開（t2處），在電流上升的起始階段（時(shí)間少于2 ms）即將短路電流加以限制。此時(shí)短路電流只上升到Ip，僅為預(yù)期短路電流峰值的1/3左右，可使最大短路沖擊電流及與系統(tǒng)熱穩(wěn)定有關(guān)的I2t大大降低，使系統(tǒng)的動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定初裕度大大提高。

大容量高速開關(guān)的動(dòng)作條件：大容量高速開關(guān)的動(dòng)作取決于i（Limit）（曲線3）、電流變化率dt/dt（曲線5），只有在二者同時(shí)超過了整定值時(shí)，F(xiàn)S才會(huì)動(dòng)作。

圖3 大容量高速開關(guān)原理圖

圖4 參數(shù)整定值示意圖

3.2 大容量高速開關(guān)控制器整定參數(shù)的選擇原則

（1）啟動(dòng)電流值i（Limit）

電流值的整定原則是：避開設(shè)備的額定電流、過負(fù)荷電流以及設(shè)備投入時(shí)沖擊電流。

（2）最小動(dòng)作電流曲線idz

最小動(dòng)作電流曲線的選擇原則是：避開斷路器開斷電流范圍內(nèi)的短路電流，同時(shí)還要避開設(shè)備合閘時(shí)的沖擊電流。

（3）電流增長率dt/dt

電流增長率是在最小動(dòng)作電流曲線上電流幅值等于電流整定值處的斜率。

3.3 大容量高速開關(guān)與傳統(tǒng)的斷路器開斷方式相比具有的特點(diǎn)

（1）額定電流大，可達(dá)12 kA。

（2）速動(dòng)性提高20倍以上。短路電流在1 ms以內(nèi)被截流，3 ms之內(nèi)衰減到零，故障被完全切除。傳統(tǒng)的斷路器保護(hù)方式最快也要80 ms，至少為大容量高速開關(guān)的25倍。

（3）系統(tǒng)永遠(yuǎn)達(dá)不到預(yù)期的沖擊電流，設(shè)備動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定的余度不必設(shè)計(jì)得過大，可節(jié)省大量資金。截流Ip僅為預(yù)期短路沖擊電流的1/3～1/10，系統(tǒng)承受的電動(dòng)力大大減少。所通過的I2t比斷路器開斷方式減少了至少500倍，可達(dá)數(shù)千倍。

（4）開斷過程中無危害性過電壓；氧化鋅良好的非線性特性，可將開斷過電壓限制在2.5倍的額定相電壓以內(nèi)。

（5）開斷容量可以足夠大。目前能做到240 kA，只需要配置相應(yīng)的非線性電阻來吸收磁能，開斷容量就可以做得足夠大。

（6）由于本裝置引入主電路電流幅值及電流變化率做判據(jù)，靈敏度更高。設(shè)計(jì)上采用三個(gè)相同的獨(dú)立工作的測(cè)控部件，以“表決方式”判斷故障的發(fā)生，可靠性更高。

根據(jù)大容量高速開關(guān)裝置原理和特點(diǎn)，江都站變電所大容量高速開關(guān)設(shè)置于主變二次側(cè)6 kV出線處，6 kV系統(tǒng)開關(guān)開斷電流選擇為31.5 kA。大容量高速開關(guān)合理選擇測(cè)控單元設(shè)定參數(shù)：啟動(dòng)電流值≥主變正常和啟動(dòng)時(shí)最大負(fù)荷；最小動(dòng)作電流曲線≥開關(guān)開斷電流減去電機(jī)反饋電流；最小動(dòng)作電流曲線上電流幅值等于電流整定值處的斜率，確保大容量高速開關(guān)在該主變帶正常負(fù)載時(shí)，在開關(guān)負(fù)荷內(nèi)開斷允許故障電流時(shí)不動(dòng)作。

當(dāng)6 kV系統(tǒng)發(fā)生短路故障，其短路電流：電網(wǎng)短路電流加上電機(jī)反饋電流≥開關(guān)開斷電流時(shí)，測(cè)控單元發(fā)出分?jǐn)嘈盘?hào)，大容量高速開關(guān)在短路故障發(fā)生3 ms內(nèi)迅速開斷切除電網(wǎng)故障電流，然后由故障處開關(guān)切除故障點(diǎn)。

4 大容量高速開關(guān)運(yùn)行與維護(hù)

大容量高速開關(guān)是一種特殊電氣設(shè)備，國家和行業(yè)無維護(hù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，其在電氣主接線回路中相當(dāng)于開關(guān)和保護(hù)裝置的組合體，作用甚至高于開關(guān)。由于在發(fā)生電氣短路故障時(shí)，若不能可靠動(dòng)作，將擴(kuò)大事故的范圍和損失，甚至影響電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定；大容量高速開關(guān)在水利系統(tǒng)應(yīng)用較少，缺乏運(yùn)行管理方面的經(jīng)驗(yàn)。因此，在日常運(yùn)用管理中應(yīng)充分掌握其原理和特點(diǎn)，加強(qiáng)運(yùn)行管理的維護(hù)保養(yǎng)，確保大容量高速開關(guān)可靠工作。

4.1 大容量高速開關(guān)控制器動(dòng)作參數(shù)的整定和定期檢驗(yàn)

大容量高速開關(guān)動(dòng)作參數(shù)為：啟動(dòng)電流值、最小動(dòng)作電流曲線處電流增長率dt/dt，出廠時(shí)由制造廠完成整定和檢驗(yàn)。投入運(yùn)行后，運(yùn)行管理單位應(yīng)配備專用試驗(yàn)設(shè)備，按制造廠規(guī)定要求和項(xiàng)目定期進(jìn)行檢驗(yàn)。

4.2 大容量高速開關(guān)運(yùn)行期間定期巡視檢查

大容量高速開關(guān)運(yùn)行期間應(yīng)定期巡視檢查，每班1次。除檢查電氣設(shè)備通常內(nèi)容和要求外，主要是測(cè)控單元應(yīng)正常工作，裝置柜上的測(cè)控單元指示燈指示應(yīng)正確。

4.3 大容量高速開關(guān)運(yùn)行注意事項(xiàng)

（1）當(dāng)大容量高速開關(guān)測(cè)控柜發(fā)出報(bào)警信號(hào)時(shí)，應(yīng)斷開測(cè)控柜的電源，再進(jìn)行檢查和排除故障，必要時(shí)應(yīng)立即請(qǐng)制造廠專業(yè)技術(shù)人員到現(xiàn)場進(jìn)行處理。

（2）當(dāng)大容量高速開關(guān)測(cè)控柜發(fā)出動(dòng)作信號(hào)時(shí)，應(yīng)斷開本主回路斷路器和隔離開關(guān)，掛好接地線后，再進(jìn)行檢查。如確為載流橋體和高壓限流熔斷器因主電源回路而動(dòng)作，應(yīng)在制造廠專業(yè)技術(shù)人員指導(dǎo)下，更換主回路上的載流橋體和高壓限流熔斷器，并進(jìn)行試驗(yàn)。

（3）當(dāng)大容量高速開關(guān)主電路中發(fā)生短路故障，應(yīng)檢查該回路中相應(yīng)開關(guān)保護(hù)裝置的動(dòng)作電流，檢驗(yàn)和校正大容量高速開關(guān)控制器整定參數(shù)的正確性和大容量高速開關(guān)動(dòng)作的可靠性。

（4）重要泵站為確保大容量高速開關(guān)在故障或動(dòng)作后迅速恢復(fù)運(yùn)行，應(yīng)根據(jù)制造廠要求，配備載流橋體、高壓限流熔斷器及控制部件。備品件應(yīng)儲(chǔ)藏在室內(nèi)干燥的場所，遠(yuǎn)離高溫?zé)嵩醇耙兹家妆锲?。?chǔ)存有效期為8年，到期應(yīng)進(jìn)行更換。

4.4 大容量高速開關(guān)定期維護(hù)

大容量高速開關(guān)投入運(yùn)行后應(yīng)定期維護(hù)檢查，每5年進(jìn)行1次，或按設(shè)備狀態(tài)和運(yùn)行實(shí)際情況而定。檢查應(yīng)在全部停電狀態(tài)下進(jìn)行，并專門組織維修檢查，主要檢查內(nèi)容及要求為：

（1）對(duì)設(shè)備元器件、控制器、各種接線及指示燈等全面檢查和清理；

（2）制造廠規(guī)定的試驗(yàn)項(xiàng)目的檢驗(yàn)；

（3）必要時(shí)由制造廠組織或在其指導(dǎo)下進(jìn)行檢查。

5 結(jié)語

大容量高速開關(guān)額定電流大，開斷能力強(qiáng)，截流小，速度快，是短路容量較大場所快速有效的保護(hù)裝置，其應(yīng)用在短路容量不同的場所，可使系統(tǒng)免受沖擊，對(duì)設(shè)備的動(dòng)穩(wěn)定性要求大大降低，從而節(jié)省大量資金。

大容量高速開關(guān)在電氣主接線系統(tǒng)中是一種重要設(shè)備，在發(fā)生短路事故時(shí)能否可靠動(dòng)作，關(guān)系重大，因此，在日常運(yùn)用管理中要充分掌握其原理和特點(diǎn)，加強(qiáng)運(yùn)行管理的維護(hù)保養(yǎng)，確保大容量高速開關(guān)可靠工作。