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高壓交流負荷開關與熔斷器組合在配電變壓器保護中的應用

瀏覽次數: 日期:2011-6-21 15:44:54

摘 要:分析了負荷開關—熔斷器組合電器在配電變壓器上的應用形式與特點,重點介紹了負荷開關與熔斷器的配合工作模式以及熔斷器的選擇原則。

關鍵詞:熔斷器;配電變壓器;保護;負荷開關

 

一、  引言

配電變壓器的保護主要有2種配置方式:一是利用斷路器;二是利用負荷開關與熔斷器組合或直接利用熔斷器進行保護。近年來負荷開關加熔斷器正以極快的速度進入電網。這是因為一個開關切斷負荷是經常發生的.而短路保護則是極個別的很少發生的,斷路器則是按極少發生的短路電流設計的,因此結構復雜,操作機構龐大,造價貴,而負荷開關加熔斷器則將控制與保護兩個功能分開,大量經常發生的切換負荷用負荷開關來完成,而極少發生的短路保護由熔斷器來完成。用熔斷器保護配電變壓器不僅結構簡單、成本低,而且比斷路器保護更有效。短路試驗結果表明,當變壓器內部發生故障時,為避免油箱爆炸,必須在20 ms 內切除故障。限流熔斷器可在10 ms內切除短路故障。而斷路器全開斷時間由繼電保護動作時間、斷路器固有動作時間和燃弧時間3部分組成,切除故障一般需3個周波(60 ms)。因此,近年來熔斷器保護在一些新型變配電設備中得到廣泛應用。

 

二、  負荷開關與熔斷器的配合

根據國家標準GB16926—2009《High-voltage alternating current switch-fuse combination》對負荷開關——熔斷器組合電器的定義是:“一種組合電器:它包括一組三相負荷開關及三個帶撞擊器的熔斷器,任何一個撞擊器動作,負荷開關三相全部自動分閘。” 負荷開關加熔斷器組合電器可以開斷至50kA 的短路電流,其基本特征是依賴熔斷器熔斷觸發撞針動作于負荷開關。配電變壓器短路有單相、兩相、三相短路,無論哪種故障,任意一相熔斷后,撞針觸發負荷開關的脫扣器,負荷開關三相聯動,及時隔離故障點,防止缺相運行,順序是先熔斷熔絲,后斷負荷開關。

IEC-60420標準對負荷開關與熔斷器之間的配合做了明確規定,將電流的開斷劃分成4個區域:

(1)區域I——正常負荷電流范圍。正常負荷電流由負荷開關單獨開斷。

(2)區域II——過負荷電流范圍。電流范圍為(1~3)In.FU,In.FU為熔斷器熔體額定電流。在此范圍內,熔斷器承受超過額定電流的過電流,約從2In.FU電流起熔體動作。但熔斷器尚不能熄弧,只能由其撞擊器觸發負荷開關動作,三相開斷并熄弧。即在過負荷范圍內,由負荷開關三相開斷并熄弧。

(3)區域III——轉移電流范圍。轉移電流ITC是指熔斷器與負荷開關轉移開斷職能時的三相對稱電流。當I<ITC 時,首相電流由熔斷器開斷,而后兩相電流由負荷開關開斷。約從3In.FU起,熔斷器動作后亦可熄弧,三相熔斷器之一首先動作,觸發撞擊器并熄弧,由負荷開關斷開另兩相中的電流。因此,在轉移電流區域,熔斷器與負荷開關配合共同完成開斷任務。

(4)區域IV——限流范圍。當故障電流更大時(超過轉移電流區域),三相電流都由熔斷器開斷。熔斷器在電流的第1個半波(10ms)就已經動作。這時熔斷器斷開大于轉移電流的電流,負荷開關在撞擊器作用下雖動作,但熔斷器已斷開電流,負荷開關不開斷電流。

在選用負荷開關-限流熔斷器組合電器時,轉移電流是一個重要參數,若選用不當,負荷開關不能承受相應的轉移電流,可能會因無力承擔開斷兩相短路電流的任務而爆炸。

在組合電器中實際的轉移電流值決定于所用熔斷器的時間——電流特性和由熔斷器觸發的負荷開關分閘時間。

用熔斷器的時間——電流特性的偏差為±6.5%,熔斷器觸發的負荷開關分閘時間t0在0.05~0.3s之間,那么轉移電流是熔斷器的最小時間——電流特性上對應于熔化時間為0.9t0的電流值。實際上分閘時間不會是一個固定值,而是在一個范圍內,在這里應該取其最小分閘時間。

 

三、 熔斷器的選擇

我們知道,選擇熔斷器有兩個基本條件:

1)  工作電壓應與熔斷器的額定電壓相符,熔斷器不宜使用在工作電壓低于其額定電壓的電網中,如額定電壓為10kV的熔斷器不宜用于6kV的線路上。

2)  選擇熔體時,應保證熔斷器與電源側繼電保護之間以及熔斷器與負荷之間動作的選擇性。

熔體額定電流按下式選擇:In=K*Igmax

K取1.5—2,Igmax為變壓器最大工作電流。

熔斷器產品樣本中,用于變壓器初級端熔斷器的一般選用原則如表1所示: 

變壓器額定容量/KVA

100

160

250

315

400

500

630

800

1000

1250

熔斷器額定電流/A

16

25

25

31.5

40

50

63

80

80

100

表 1  10 kV 系統變壓器熔斷器的額定參數

而在實際設計組合電器當中,為了正確選擇熔斷器還需要考慮以下幾個方面:

1)熔斷器的額定開斷電流值應不小于變壓器高壓系統的最大短路電流;

2)熔斷器的額定電流應允許變壓器在實際使用條件下承載周期性過載電流;

3)熔斷器的時間——電流特性應適應變壓器沖擊勵磁電流;

4)熔斷器時間——電流特性在10s范圍內,弧前電流足夠小,以保證可靠的保護變壓器;

5)熔斷器時間——電流特性與熔斷器觸發的負荷開關分閘時間相配合,使熔斷器與負荷開關之間能合理轉換開斷職能;

假定用戶根據其具體運行要求選用10kV、400kVA變壓器,高壓系統最大故障電流為16kA,則:

變壓器滿載電流為:In=400*103/(31/2*10*103)=23.1A

允許短時過載電流Ip,假定其值為In的150%,并在變壓器的“-5%”分接處抽頭,即:Ip=23.1*1.5*1.05=36.4A

沖擊勵磁電流Is及持續時間Ts按(IEC787中4a條),Is=23.1*12=277A  Ts=0.1s

當變壓器的短路阻抗按4%考慮時,變壓器二次側直接短路時,一次側短路電流Ik:

Ik=400*103/(31/2*10*103*4%)=577A

現場周圍空氣溫度比標準值高5℃為45℃。

該熔斷器的時間——電流特性,在電流為277A條件下,最小弧前時間應大于0.1s。

以熔斷器的時間——電流特性及熔斷器觸發的負荷開關分閘時間共同確定的,使熔斷器與負荷開關之間開始轉換開斷職能的那個轉移電流值,應小于由負荷開關額定分斷能力決定的組合電器的額定轉移電流值,同時還應小于變壓器二次側直接短路時一次側的短路電流Ik(577A)。

因此,組合電器開關柜設計者應選用具有如下特性的熔斷器:

a)熔斷器額定電壓應為12kV;

b)額定最高分斷能力不小于為16kA,最小開斷電流Imbc應小于Ik=577A;

c)其額定電流應充許組合電器裝入該熔斷器后能夠在45℃環境條件下承載稍大于36.4A的電流;

d)能耐受變壓器合閘時產生的勵磁涌流峰值,Is=277A;

組合電器設計者還可以根據溫升試驗,或在這些試驗的基礎上進行計算來確定熔斷器的額定電流。

 

四、 結束語

通過以上分析,并結合經濟和運行管理等因素,采用負荷開關加限流熔斷器組合的保護配置,既可提供額定負荷電流又可斷開短路電流,并具備開合空載變壓器的性能,能有效地保護配電變壓器,已日漸成為新型變配電設備控制和保護電器的主流。

 

參考文獻

【1】GB16926-2009,高壓交流負荷開關—熔斷器組合電器[S]。北京:中國標準出版社,2009。

【2】GBT 15166.6-2008 用于變壓器回路的高壓熔斷器的熔斷件選用導則[S]。北京:中國標準出版社,2008。

【3】GBT 15166.2-2008 交流高壓熔斷器限流式熔斷器[S]。北京:中國標準出版社,2008。


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