陳懷宇 / 王志堅

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

從核電廠公用配電系統(tǒng)設(shè)計討論高壓廠用電系統(tǒng)中F&C方案的技術(shù)特點

陳懷宇 / 王志堅

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

以核電廠公用配電系統(tǒng)設(shè)計為例，論述了F&C方案的設(shè)計特點，通過與斷路器方案的比選，進一步探討F&C方案技術(shù)特點，為高壓廠用電系統(tǒng)設(shè)計提供一個更好的解決方案。

公用配電系統(tǒng) 斷路器 F&C

0 引言

本文以核電廠高壓廠用電系統(tǒng)中的全廠公用配電系統(tǒng)設(shè)計為例，闡述對象為百萬千瓦級核電廠，其高壓廠用電系統(tǒng)三相短路電流接近50kA，采用F&C方案，即高壓限流熔斷器(F)與接觸器(C)組合回路，接觸器完成回路的控制功能，而保護功能由熔斷器和接觸器配合完成。這種F&C的組合方案在某種特定場合能更好地完成其配電、保護與控制功能，特點鮮明。本文通過F&C方案與斷路器方案的技術(shù)比選，進一步深入進行F&C方案的技術(shù)探討。

1 核電廠公用配電系統(tǒng)設(shè)計詳述

核電廠高壓廠用電設(shè)備按功能分為4類，分別為：單元廠用電設(shè)備、常備廠用電設(shè)備、應(yīng)急廠用電設(shè)備和全廠公用廠用電設(shè)備。其中，全廠公用廠用電設(shè)備不專屬于某一單元機組，而是要參與到兩個或更多機組的運行中。這類設(shè)備有2個特點：1)大量的泵和風(fēng)機設(shè)備，包括大量的中低壓配電變壓器，回路多；2)供電保證要求復(fù)雜，不同功能類型的設(shè)備，各自的供電電源保證不盡相同。

本文列舉了某核電廠全廠公用配電系統(tǒng)的設(shè)計實例(見圖1)。設(shè)計方案的關(guān)鍵點有3個：1)整體開關(guān)柜按短路電流50kA設(shè)計考慮；2)進線和聯(lián)絡(luò)開關(guān)選用額定電流為1 600A的斷路器方案；3)饋線回路均選用F&C方案，實施如下。

圖1 某核電廠公用配電系統(tǒng)主接線圖

1)電源情況

設(shè)定電流為三相交流，用In表示。其中，電壓和頻率可以同時或分別變化,也可以連續(xù)或不連續(xù)變化。中壓系統(tǒng)中性點絕緣。電源其他參數(shù)設(shè)定見表1。

表1 電源參數(shù)設(shè)定

2)斷路器柜參數(shù)

斷路器柜設(shè)計參數(shù)情況詳見表2。

表2 斷路器柜參數(shù)設(shè)定

其尺寸要求為：寬≤800mm、深≤1 500mm、高≤2 200mm。額定操作順序為：分-3 min-合-0.1s-分-3 min-合-0.1s-分。當(dāng)接地開關(guān)在閉合位置時，應(yīng)能承受1 s熱穩(wěn)定電流，而不會危及到操作人員。

3)熔斷器-接觸器柜(F-C柜)

熔斷器-接觸器柜(F-C柜)設(shè)計參數(shù)情況詳見表3。

表3 熔斷器—接觸器柜參數(shù)設(shè)定

其尺寸要求為：寬≤400mm、深≤1 500mm、高≤2 200mm。高分?jǐn)嗳蹟嗥鲬?yīng)有與使用條件一致的開斷和關(guān)合電流的能力。接地開關(guān)應(yīng)能承受和熔斷器相同的峰值電流,且對運行人員不會造成傷害。

4)電壓互感器柜

電壓互感器設(shè)計參數(shù)情況詳見表4。

表4 電壓互感器參數(shù)設(shè)定

其尺寸要求為：寬≤800mm、深≤1 500mm、高≤2 200mm。配備合適的熔斷器及消除諧振裝置。

基于對公用配電系統(tǒng)所帶用電設(shè)備的分析，進線回路選擇了斷路器方案，饋線回路選用了F&C方案。

2 核電廠公用配電系統(tǒng)設(shè)計分析和比選

高壓廠用電系統(tǒng)設(shè)計完成的保護包括過負(fù)荷保護、過流保護和單相接地故障保護等。這些保護均通過配置的綜合保護裝置發(fā)出相應(yīng)的命令，作用于相關(guān)執(zhí)行元件。

1)對于斷路器方案來說，作用的執(zhí)行元件只有斷路器；對于F&C方案，執(zhí)行元件包括熔斷器和接觸器，通過在兩者之間設(shè)置撞針裝置，使熔斷器在過流保護中熔斷時觸發(fā)的撞針動作發(fā)出一個指令讓接觸器跳閘，實現(xiàn)了可靠短路保護和便捷的啟停操作，技術(shù)優(yōu)勢明顯。

2)采用斷路器方案，配置的電纜要進行熱穩(wěn)定校驗，對于50kA的預(yù)計短路故障電流來說，電纜選型的最小截面要求是3×(1×300)mm2；而采用F&C方案，則無需熱穩(wěn)定校驗，對于變壓器不超過1 250kVA，電機不超過750kW的饋線回路，經(jīng)計算，電纜選用3×50mm2(統(tǒng)一出線規(guī)格型號的原則)、核電廠公用配電系統(tǒng)供電電纜的長度不少于10km，可節(jié)省電纜投資百萬元以上，且每面F&C柜比斷路器柜便宜30%左右，經(jīng)濟性可觀。

綜上所述，F(xiàn)&C方案與斷路器方案的技術(shù)經(jīng)濟比選明確，F(xiàn)&C方案優(yōu)勢明顯。而且，其另一優(yōu)勢在于F&C柜的柜體尺寸僅為斷路器柜的一半，這對于節(jié)省空間、減少占地面積來說是很有幫助的。尤其對于對空間有限制條件的場所，F(xiàn)&C方案是一個很好的待選方案。

3 F&C方案的技術(shù)特點探討

高壓廠用電系統(tǒng)中，除進線和聯(lián)絡(luò)外，饋線回路主要包括電動機回路和配電變壓器饋線回路，技術(shù)特點：正常運行工況時，回路的額定電流只有數(shù)十或數(shù)百A，而電動機的啟動電流在十幾ms的瞬態(tài)過程中，其峰值一般可達額定電流的10～12倍；瞬態(tài)過程后，便是額定電流4～6倍數(shù)值的啟動電流，其持續(xù)時間視電動機所帶機械設(shè)備的不同而為6～60s不等。變壓器接通時的勵磁涌流一般可達額定電流的十幾倍，持續(xù)時間常在100ms以內(nèi)。

對比核電廠的高壓廠用電系統(tǒng)，各種故障電流值很大，百萬千瓦級核電廠的高壓廠用電預(yù)計承受的三相短路電流需按50kA設(shè)計考慮。鑒于這種情況，是完全使用更大開斷電流的斷路器還是采用另外的設(shè)計方案，這是設(shè)計師需要思考的問題。本文即在核電廠公用配電系統(tǒng)設(shè)計實例上采用了高壓熔斷器與接觸器的組合回路，即F&C方案。

3.1 F&C回路的基本工作原理

如圖1所示，F(xiàn)&C回路由一個限流熔斷器與一個接觸器串接而成。廠用電回路發(fā)生短路故障時，短路電流最大值(峰值)一般發(fā)生在短路后0.01s處，由于F&C回路中的熔斷器動作速度極快(當(dāng)短路電流在40kA以上時，熔斷器全熔斷時間僅為0.005～0.008s)，所以當(dāng)回路發(fā)生短路時，短路電流還未上升到峰值前就被及時切斷，于是在F&C回路之后流經(jīng)的僅是一個峰值較預(yù)期短路電流要小很多的電流(又稱為“實際短路電流”)，這就是限流熔斷器的限流原理。

而接觸器的開斷電流是有限的，為了與接觸器的參數(shù)配套，希望將熔斷器動作后(即經(jīng)限流后)的回路實際短路電流峰值控制在接觸器的要求許可范圍內(nèi)。并通過分析限流熔斷器時間-電流特性，在熔斷器流過一個特定的大電流時，有所謂“拐點電流”的物理概念，即當(dāng)流過熔斷器的電流大于拐點電流時，熔斷器的動作時間越快越好，而電流小于這個拐點時，將與接觸器保護動作配合。

為使F&C回路的保護作用與斷路器保護基本相同，在接觸器上應(yīng)加裝一些必要的保護繼電器。根據(jù)F&C的相關(guān)樣本可知，限流熔斷器的時間-電流特性曲線和接觸器的繼電器反時限特性曲線有一交點：小于這一交點的故障電流由接觸器斷開，這也決定了接觸器應(yīng)有一個熱穩(wěn)定電流參數(shù)，即4s/6kA(事例中的F&C回路)的熱穩(wěn)定電流；這個點若落在限流熔斷器的時間-電流特性曲線和接觸器的繼電器反時限特性曲線共有的坐標(biāo)系中，應(yīng)大于這兩條曲線的交點。很顯然，這個點離兩曲線的交點越遠，F(xiàn)&C回路越能各司其職地完成斷路器回路的保護、配電功能。

2.4.1 pH 長順縣弱堿性(pH7.5～8.5)耕地面積最大(圖3a)，為262.9 km2，約占全縣耕地的60%，主要分布在廣順鎮(zhèn)、白云山鎮(zhèn)；強酸性(pH<4.5)耕地面積最小，僅為2.03 km2，占全縣耕地的0.46%，主要分布在長寨街道辦、擺所鎮(zhèn)和廣順鎮(zhèn)。這是由于該區(qū)域內(nèi)土壤成土母質(zhì)為多為砂頁巖、砂巖和石英砂巖等風(fēng)化殘積物，故其pH相對較低；而由白云巖、泥質(zhì)白云巖、白云灰?guī)r及石灰?guī)r坡風(fēng)化殘積物形成的土壤以水田為主，由于受人為耕作因素的影響，pH相對較高。

3.2 F&C回路與電動機回路的配合

F&C回路對電動機回路的保護與斷路器相似。

將電動機啟動電流與F&C回路限流熔斷器的時間-電流特性曲線和接觸器的繼電器反時限特性曲線繪在同一坐標(biāo)系中。電動機回路的過流及過負(fù)荷電流均在接觸器額定開斷電流(6kA)的范圍內(nèi)。而在短路時，預(yù)期短路電流很大，熔斷器可以很快熔斷，以取代原來斷路器的跳閘作用。這里要說明的一點是，雖然熔斷器動作后不能再利用，但其價格較低，加上回路的短路概率也很小，所以由熔斷器跳閘斷開回路比斷路器方案較經(jīng)濟些。

另外，為保證單根熔斷器動作后不致造成電動機兩相運行，除應(yīng)裝設(shè)回路缺相運行保護外，還應(yīng)在熔斷器上裝設(shè)熔體熔斷微動開關(guān)。當(dāng)其中一相熔斷器熔斷后，微動開關(guān)直接動作于接觸器使其跳閘。

3.3 F&C回路與變壓器回路的配合

采用F&C回路對變壓器回路供電，在變壓器低壓側(cè)端子或變壓器內(nèi)部故障時，將視故障電流的大、小分別由熔斷器或接觸器動作跳閘；當(dāng)變壓器的高壓側(cè)回路發(fā)生短路故障時，由熔斷器斷開回路。將變壓器勵磁涌流及低壓側(cè)電動機自啟動電流與F&C回路限流熔斷器的時間-電流特性曲線和接觸器的繼電器反時限特性曲線繪在同一坐標(biāo)系的圖中：首先需保證限流熔斷器的時間-電流特性曲線不應(yīng)與變壓器勵磁涌流及低壓側(cè)電動機自啟動電流曲線交叉，接觸器的熱穩(wěn)定電流點(事例中的F&C回路為4s/6kA)適當(dāng)且較遠離限流熔斷器的時間-電流特性曲線。通過曲線可合理配置為變壓器回路供電的F&C回路方案。

F&C回路能否正常運行以及其保護配合是否合適，在很大程度上依靠接觸器，因此在接觸器選擇時應(yīng)注意以下兩點。

1) 接觸器的開斷電流足夠大且額定電流適當(dāng)小。

接觸器的額定電流并不是越大越好，因為額定電流越大，截流開斷電流值也越大，在開斷小回路電流時產(chǎn)生的過電壓越高。實例中的F&C方案選取的接觸器額定電流為400A，對開斷小電流負(fù)荷回路合適；依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，接觸器的開斷電流為額定電流的8～10倍(即4kA)，如果開斷電流做到了6kA或更高，則F&C回路的預(yù)期開斷電流及適用容量還可更高。

2) 接觸器的選型可配置帶機械鎖扣型操作機構(gòu)。

這個目的是在操作電源(交流或直流)瞬時失壓時接觸器不會跳閘，保持了供電的連續(xù)性和可靠性。

另外，F(xiàn)&C回路的另一主要元件——熔斷器，在選型上要求也有兩點。

1) 對熔斷器的時間-電流特性要求

熔斷器都有最小開斷電流，也就是說，一旦電流上升到這個點的電流值以上時熔斷器應(yīng)能可靠熔斷，即I2T的熔體發(fā)熱量概念，電流低于這個值，散熱和發(fā)熱平衡，熔體將不會熔斷。由于接觸器本身加裝了過載及過流等保護，為躲開電動機較大的啟動電流和變壓器的勵磁涌流，該電流值宜大一些，這樣一來，使得熔斷器的時間-電流特性曲線略陡一點為好。

2) 熔斷器限流特性的選擇

限流特性是高壓限流熔斷器的一個重要參數(shù)，也是衡量該產(chǎn)品可否用于F&C回路的一個重要因素，這個值的物理意義在于：通過熔斷器的限流熔斷作用，回路的實際短路電流應(yīng)可以滿足接觸器的動穩(wěn)定條件。這就要求在保證接觸器安全運行的同時，熔斷器動作時間要≤0.01s。

而且，除上述兩條之外，熔斷器的參數(shù)選擇還應(yīng)關(guān)注其額定電流、回路啟動電流與熔斷器額定電流選擇配合曲線等因素。一般建議熔斷器的校核條件為：其額定電流至少為1.3倍的電動機額定電流。

3.5 F&C方案的適用容量和回路

經(jīng)查閱相關(guān)文獻，國外F&C回路最大可用于2 000kW的電動機和2 000kVA的變壓器。為安全起見，國內(nèi)將國產(chǎn)的F&C回路適用容量定為1 200kW及以下的電動機回路和1 600kVA及以下的變壓器回路。這樣，接觸器動作曲線與熔斷器動作曲線的“交接點電流”在2kA左右，事例中，該值要求為6kA，裕度較大。

從分析看，提高F&C回路適用容量的最根本辦法，仍是開發(fā)出有更大開斷電流的小額定電流接觸器。

F&C回路在斷開故障回路時，此回路最好是感性的。因此時的故障電流由較小值上升，限流型熔斷器在該電流未到達最大值時就將回路斷開，從而發(fā)揮其高限流作用。一般電動機回路均符合上述要求。

4 結(jié)束語

F&C方案已廣泛應(yīng)用于核電廠高壓廠用電系統(tǒng)設(shè)計中，通過對F&C回路的深入剖析，設(shè)計配置更合理，技術(shù)特點更鮮明，更具選型優(yōu)勢。本文通過百萬千瓦級核電廠高壓廠用電公用配電系統(tǒng)的設(shè)計事例，詮釋了F&C方案的技術(shù)特點，旨在推進F&C方案在工程高壓配電系統(tǒng)中的應(yīng)用，亦希望可供同行參考、評估，共同致力于高壓配電系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)提升。

[1] 《公用配電系統(tǒng)手冊》，CP03XESHXTS02.

[2] 《BOP中壓配電盤技術(shù)條件》,1188T5048.

Discussion on the Technical Characteristics of F&C Scheme in High-voltage Auxiliary Power System by Studying the Design of Common Distribution System in Nuclear Power Plant

Chen Huaiyu / Wang Zhijian

Taking design of common distribution system of nuclear power plant as an example. The design characteristics of F&C scheme are discussed. What’s more, the technical characteristics of the F&C scheme are further discussed by comparing with the circuit breaker scheme, which provides a better solution for the design of high voltage power plant system program.

common distribution system, circuit breaker, F&C