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大容量高速开关与电抗器并联运行的工程设计
曲秀英
兰州石油化工工程公司设计分公司 甘肃省兰州市 730060
摘要：比较大的电力系统短路电流很大，选择高压电器费用就高，很不经济，需串接电抗器来限制短路电流，但串接电抗器后又会产生一系列问题，大容量高速开关与电抗器并联运行就可解决在电抗器上产生电压降、漏磁场、无功电能损耗等问题，但FSR参数如何选择计算本文进行探讨。
关键词：电抗器
大容量高速开关
系统参数及短路计算 FSR的参数选择
随着电力系统和我厂供电系统的不断扩容，使得系统中的短路电流很大，若要按实际短路电流来选择高压断路器，设备费用就比较高，很不经济，故需串接电抗器来限制短路电流，但串接电抗器后又会产生下列问题：
1）系统正常运行时在电抗器上产生电压降，而这个电压降随负荷变化，影响供电电压的质量，特别是较大电动机启动时，电抗器上的电压降会加剧，将影响其它负荷的正常运行。
2）电抗器强大的漏磁场使通讯系统及微机监控系统受到严重的干扰，甚至无法正常工作。
3）串接的电抗器正常运行时流过的负荷电流产生无功电能损耗。
应用大容量高速开关装置（FSR）与电抗器并联就可解决上述问题，正常运行时，FSR投入将电抗器短接，避免电抗器产生的电压降、漏磁、电能损耗。当发生故障时，FSR开断，将电抗器串入，限制电抗器短接，保证出线断路器能可靠分断各种故障的电抗器短接。
一、大容量高速开关结构
如图示，大容量高速开关由可控的桥体FS、限流熔断器FU、非线性电阻FR及测控单元组成，简称FSR。符号表示为：
测控单元的作用是定期检测电流和电流变化率，故障出现时向桥体发生断开信号。桥体FS的作用是正常时流过工作电流，短路时，接到测控单元的分断命令后，桥体在0.15ms之内快速断开，电流转移到熔断器。桥体断开后的短路电流转移到熔断器，经0.5ms熔断器快速熔断，并产生足够的弧压使非线性电阻导通，吸收磁能，并把开断时的过电压限制在允许的范围内。
二、大容量高速开关FSR的特点及给供用电系统带来的好处
1、速动性提高20倍以上，短路电流在1ms以内被截流,3ms之内衰减到零,故障完全被切除。
2、系统永远达不到预期的冲击电流，设备的动、热稳定的余度不必设计得过大，可节省大量资金。截流值Ip仅为预期短路冲击电流的十分之一左右，系统承受的电动力大大减少。
3、开断过程中无危害性过电压，氧化锌良好的非线性特性，可将开断过电压限制在2.5倍的额定相电压以内。开断容量可以做得足够大。
4、采用三个相同的独立工作的测控部件，判断故障的发生，可靠性更高。
5、本装置引进电流变化率做判据，当电流幅值和电流变化率同时超过正常值时，才判断为发生短路，使FSR装置的灵敏度更高。
6、FSR与电抗器并联是消除电抗器漏磁引起涡流发热的有效措施。
7、FSR与电抗器并联是最经济的限流方案。
8、FSR与电抗器并联避免了电抗器巨大的电能损耗和大型电动机起动时的电压降。
三、系统参数及短路电流计算
1) 系统参数
基准值：Sj=100MVA
基准电压为各级母线平均电压
2)电网至兰炼110KV母线（147中变）
X*max=0.0378（最大运行方式）
X*min=0.1301（最小运行方式）
147中变主变压器：额定容量为50000kVA
高—中
Uk12=10.4%
高—低
Uk13=18.5%
中—低
Uk23=6.48%
300万吨/年重催主风机组发电机G=22MW，额定电压10.5kV, X”=10.6%，经35/10.5kV,31500kVA变压器进入147中变35kV母线;备压发电发电机G=6000kW，额定电压6.3kV,
X”=10.63%，经35/10.5kV,10000kVA变压器进入147中变35kV母线.
3)147中变运行方式：最大运行方式为二台主变35
kV并联运行，再加两台发电机和一台电动机,,最小运行方式为一台主变。
经运算:
最大运行方式 Id1=57.9KA
最小运行方式
Id1=11.58KA
四、 FSR的参数选择
1、主载流体FS的额定参数
1.1额定电流Ie:
额定电流不低于电抗器的额定电流，取FS：Ie=3KA
1.2额定电压 Ue=6.3KV
1.3 FSR动作电流Idz：
为保证6KV出线断路器可靠开断,取电抗器串入后的最小运行方式下短路电流为FSR的动作值，
即Idz≤11.58KA
取Idz=11KA
同时保证FSR的动作电流应小于断路器额定开断电流的50％，6KV出线断路器可靠开断,
即Idz≤25KAX0.5=12.5KA
1.4 FSR启动电流ilimit：
t0
：短路电流达到FSR启动电流值Ilimit时所需时间
Ilimit：在系统最大运行方式下，FSR投入（电抗器被短接时）,母线短路电流流过FSR时，测控单元装置开始运算时的电流值
短路电流流过FSR时，以1.1倍线路额定电流为起点，测控单元采样时间为160
us
根据
1.1Ie = Id1 Sin18 (t0-0.16)
即t0≥Sin-1(1.1Ie/Id1)/18+0.16=
Sin-1(1.1×3/57.9)/18+0.16=0.36ms
Ilimit
≥Id1Sin(18
t0)=57.9Sin(18×0.36)=5.88KA
取Ilimit=5.9KA
综上：FSR的启动电流为ilimit= ×5.9=8.34KA
取8.3KA
1.5 FSR的电流变化率：
对应不同短路点，有许多短路电流曲线，取大容量高速开关装置的动作波形如图中的曲线4，此曲线在第一个1/4波形区间电流值等于启动电流值的斜率，即为FSR电流变化率的整定值。
tdz
：FSR动作电流Idz达到FSR启动电流值Ilimit时所需时间
由i=
Idz sin18 tdz=8.3 KA
得tdz=sin-1
(Ilimit /Idz)/18=sin-1
(5.9/11)/18=2.0ms
di/dt=314
IdzCos18tdz =31411Cos18tdz=4.1A/us
1.6 FSR的动作条件：
因FSR的动作取决于ilimit（图1中的曲线3）、电流变化率di/dt（图1中的曲线5），因此只有在二者同时超过了事先调好的整定值时，FSR才会动作。
1、系统大方式下预期短路电流曲线。 2、短路电流在FR中衰减曲线。
3、FSR的启动电流值i=ilimit
。 4、峰值为×IDZ的整定值曲线。
5、系统的动作电流曲线在i= ilimit点的切线(电流变化率)。
t0
：短路电流达到FSR启动值时所需时间。 t1：电流截止时间。
t2
：电流衰减到零的时间。 IP：截止电流。
2、FSR的截止电流和截止时间
FSR：流过FSR的三相短路电流：i=IKsin18t（如图1中的曲线1）
装置的运算时间： t =0.36ms
截止时间： t1=0.65+
t=1.01ms(0.65为桥体动作时间0.15ms和熔丝熔断时间0.5ms)
截止电流： ip=IKsin18t1=
X57.9Xsin18t1=23.06KA
由以上计算可见截断时间短，短路电流对网络的冲击力将大大减少。
3、FU的参数
熔断器FU的额定电流由Ik=57.9kA和ip=23.06KA查厂家FSR中熔断器FU的参数得额定电流Ie。
4、FR的参数
氧化锌良好的非线形，可将开断过电压限制在 2.5倍的额定相电压以内故取FR残压UZ=1.15 2.5×UFN=14.08KV以保证系统电气设备不受过电压的冲击。
截断电流转移到FR后衰灭到零的时间(见图1)，即装置全开断的时间： t =T+t =T+1.01ms≤3ms
T－氧化锌吸收能量过程的衰减时间，根据系统不同变化。
五、结论
大容量高速开关FSR与电抗器并联运行，解决了我厂电力系统串接电抗器限制短路电流产生的问题，这是最经济有效的限流方案。
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