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    负荷开关-熔断器组合电器在变压器保护中的应用

    2006-10-12

          近年来,福建省莆田经济一直在持续稳步地增长,投资环境的日益改善吸引了越来越多的企业在莆田落户。而电气工程的造价与变压器的保护配置方案、电气设备的选型是息息相关的,本文通过对10 kV配电变压器保护配置方案的综合比较分析,以及对负荷开关-熔断器组合电器在正确选用时一些相关事项的介绍,论述了负荷开关-熔断器组合电器在终端用户中应用的合理性和发展前景,目的是一方面做到有效保护10 kV配电变压器,保证电力系统的安全运行水平;另一方面可以降低工程的整体造价,减少用户的投资成本,提高用户的满意度水平。 

    1 10 kV配电变压器的保护配置方案 

           福建省电力有限公司要求永久性用电的用户计量柜的设计选型是:凡容量在100~315 kVA(不含315 kVA)且供电方案确定为低压计量的用户应采用低压计量柜方式计量,容量在315 kVA及以上的用户应采用高压计量柜方式计量。电气设计人员就依据该原则考虑是否配置高压柜对变压器进行保护,一般大部分设立专用变压器的用户,高压供电系统为10 kV系统,10 kV配电变压器的保护配置方案通常有以下几种: 

           用户容量小于315 kVA的,考虑采用跌落式熔断器进行保护,变压器的位置根据现场提供的条件选择放置在杆上变台或落地的方式。 

           用户容量在315 kVA及以上时,由于要求使用高压计量柜,就涉及到高压配电柜的选型问题。此时变压器保护配置方案一般有两种:一种是利用断路器;另一种则利用负荷开关-熔断器组合电器。 

           这两种配置方式在技术和经济上各有优缺点,目前的情况是并存选用。本文着重对这两种方式进行综合比较分析。 

    2 负荷开关-熔断器组合电器与断路器保护的比较 

    2.1 两种配置各自的特点 

           高压负荷开关-熔断器组合电器是由高压负荷开关来承担过载电流(此过载电流对高压负荷开关来说,仍在高压负荷开关额定开断电流的范围内)和正常工作电流的关合和开断,并且还要求承担“转移电流”的开断。而变压器高压侧的短路保护和过载保护由熔断器来承担。这是一组负荷开关及三个带触发器的熔断器,只要任何一个触发器动作,其联动机构会使负荷开关三相同时自动分闸。两者的有机结合可满足配电变压器各种正常和故障运行方式下操作保护的要求。因此其最大的特点是结构简单、制造容易、价格便宜。如能合理选配熔断器、负荷开关与变压器的参数,也能达到可靠保护的要求。 

           对于断路器而言,断路器具备所有保护功能与操作功能,断路器参数的确定和结构的设计制造均严格按标准进行,因而其结构复杂、选材严格、造价昂贵,在终端用户中大量使用不现实。 

    2.2 两种保护对配电变压器性能比较 

           对保护配电变压器,采用负荷开关-熔断器组合电器比断路器更为经济实用。有时后者甚至并不能起到有效的保护作用。试验表明,当油浸变压器发生短路时,为使油箱体不变形和开裂,必须在20 ms内切除故障。如果采用断路器保护,断路器最快全开断时间(继电保护动作时间加断路器固有动作时间加燃弧时间),一般需要3个周波(60 ms)左右,而限流熔断器则可在10 ms内切除故障并限制短路电流,能够有效地保护变压器。即使是干式变压器,因熔断器的保护动作快,也比采用断路器好。  

    2.3 继电保护性能比较 

            在配电网络的上一级断路器(变电所10 kV馈出线断路器)的保护一般设置为速断0 s,过流0.5 s(或以内),零序0.5 s。若环网柜中采用断路器,即使整定时间为0 s动作,由于断路器固有动作时间的分散性,也很难保证不是上一级断路器首先动作。而限流熔断器不受短路引起的压降的影响,在极短的时间内切除故障,不会造成越级跳闸。 

    2.4 开合空载变压器的性能比较 

           配电变压器一般容量不大于1250 kVA,极少情况达1600 kVA,变压器空载电流一般为额定电流的2%左右,较大的配电变压器空载电流较小。若采用断路器时,因其灭弧能力按开断大短路电流设计,在开断空载变压器小电流时,容易发生强制灭弧,产生截流过电压。就此点来讲,并不希望使用具有强灭弧能力的断路器。而负荷开关开合空载变压器小电流时,性能良好,不会产生较高过电压。 

            从以上各点可以看出,使用负荷开关-熔断器组合电器不比断路器效果差,在某些方面还具有独特的优势,可费用却可以大大降低。因此在用户工程中应该推广使用,前提条件是要做到正确选用组合电器。断路器与组合电器在性能上的比较如表1所示。 

    表1 断路器与组合电器性能比较  



    3 负荷开关-熔断器组合电器选用时注意事项 


    3.1 10 kV负荷开关的选用类型 

           负荷开关通常分为一般型和频繁型两种,以空气为绝缘介质的产气式和压气式负荷开关为一般型,真空和SF6负荷开关为频繁型。频繁型负荷开关的机械寿命、电寿命和其它一些性能指标要强于一般型负荷开关。我国在发展的初始阶段以产气式和压气式负荷开关为主,随着科学技术的发展,频繁型负荷开关产量不断提升,各地电力系统已较多采用频繁型负荷开关,尤其是真空负荷开关,而产气式负荷开关由于灭弧能力差,已极少采用。据统计,目前在我国市场上对负荷开关的应用中,真空负荷开关占了约50%,压气式负荷开关、SF6负荷开关各占了约25%。SF6断路器在户外10 kV特别在35 kV级很有竞争力,但其发展前景不乐观。因此,从发展的观点看,真空负荷开关在我国是最有发展前途的一种负荷开关,在性能上与SF6负荷开关基本相同,而在价格上比SF6负荷开关更便宜。目前,真空负荷开关和SF6负荷开关在莆田并存使用,运行情况良好,而压气式负荷开关应用较少。 

    3.2 开断转移电流对负荷开关的要求 

           由于三相熔断器熔体熔化具有时间差,当其中某相的熔断器先于其他两相熔断器熔断时,其撞击器开始使高压负荷开关分闸,同时其余两相的过载电流将减少至87%,并转移到高压负荷开关,由它来开断。因此转移电流是指熔断器与负荷开关转换职能时的三相对称电流。低于该值时,首开相电流由熔断器开断,其他两相电流由负荷开关开断。大于该值时,三相电流仅由熔断器开断。转移电流是在选用组合电器时应注意的一个重要指标,假如选用不当,负荷开关所能承受的转移电流不足,将无力承担开断两相短路电流的任务而引起开关的爆炸。 

           值得注意的是,对于多台配电变压器并列运行的系统,在选用组合电器时要特别注意转移电流的校验问题,如果是两台同型号、同容量的配电变压器并列运行,当出现变压器低压侧短路时,此时变压器阻抗将只有单台配电变压器的一半,从而使高压侧最大三相短路电流增加一倍,相应可能出现的转移电流也随之增加了一倍。因此对于多台配电变压器并列运行的系统,在选用组合电器时更应进行转移电流的验算。 

    3.3 在要求装有过电流脱扣装置的组合电器中,须注意交接电流指标的选配 

           在装有过电流脱扣装置的组合电器中,当过电流较小时,由负荷开关的过流脱扣装置动作来推动负荷开关开断此电流;当过电流较大时,由熔断器直接动作来开断此电流。这两个过电流互相延伸相交点的电流称作交接电流。当故障电流小于交接电流时,开断电流的任务由脱扣器触发的负荷开关来承担;当故障电流高于交接电流时,开断电流的任务由熔断器来承担。为此选配交接电流参数较高的负荷开关,特别是频繁型负荷开关,可有效地减少熔断器的动作次数,从而大大减少了更换熔断件的数量,这具有一定的技术经济意义。若用户和设计人员根据产生负荷电流的实际情况,认为装设过电流脱扣装置没有多大的经济意义,则使用高压全范围熔断器来实现开断所有的小过载电流,就可不要求取“交接电流”,并省去安装为小过载电流动作的过流脱扣装置。 

    3.4 保护变压器用熔断器的选配 

           采用负荷开关-熔断器作为方案,设计人员一般都不再进行繁琐的设计,以及对短路电流和继电保护的整定计算,选用制造厂提供的成套设备即可。选用熔断器时,熔断器的额定电流要与变压器的容量相匹配,制造厂也会提供这方面的数据。如按变压器容量选择熔断器额定电流,熔断器保护10 kV变压器,一般按表2进行选择。 

    表2 熔断器选择  



    4 终端用户高压配电系统接线方式的举例 

           用户报装容量为2台630 kVA变压器,只要求单电源进线。根据福建电网城市中低压配电网建设改造技术导则的相关规定:开闭所、配电站内单台变压器容量在1000 kVA以上,10 kV设备应采用断路器;1000 kVA及以下,10 kV设备可采用负荷开关-熔断器组合保护。按照这个指导思想,该用户高压配电系统的元件配置方案可按图1方案1设计。  



    图1 用户内部高压配电系统元件配置 

          该方案是在进线柜1装设断路器,达到福建电网城市中低压配电网建设改造技术导则的要求,而在出线柜4和柜5分别装设负荷开关-熔断器组合电器,其中熔断器作为对应变压器的相间短路保护,负荷开关实现每台变压器的投切操作。 

          笔者认为,该方案可实现对变压器的可靠保护,造价较低,体积较小,能够有效节省配电投资。而方案2是进线柜和两面出线柜内均使用断路器对变压器进行保护,也是设计人员经常使用的一种方案,造价较高,体积较大。从上述第3点可以得知,方案1在保护配电变压器的性能上比方案2更有优势,价格却比方案2便宜。对照本案例,两种方案在经济上的比较如表3所示。 

         对照表3可以看出,在方案1的出线柜中选择任意一种负荷开关后,设备总价格均要比方案2便宜。 

    表3 两种方案在经济上的比较 



     



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