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高压交流负荷开关与熔断器组合在配电变压器保护中的应用

浏览次数: 日期:2011-6-21 15:44:54

摘 要:分析了负荷开关—熔断器组合电器在配电变压器上的应用形式与特点,重点介绍了负荷开关与熔断器的配合工作模式以及熔断器的选择原则。

关键词:熔断器;配电变压器;保护;负荷开关

 

一、  引言

配电变压器的保护主要有2种配置方式:一是利用断路器;二是利用负荷开关与熔断器组合或直接利用熔断器进行保护。近年来负荷开关加熔断器正以极快的速度进入电网。这是因为一个开关切断负荷是经常发生的.而短路保护则是极个别的很少发生的,断路器则是按极少发生的短路电流设计的,因此结构复杂,操作机构庞大,造价贵,而负荷开关加熔断器则将控制与保护两个功能分开,大量经常发生的切换负荷用负荷开关来完成,而极少发生的短路保护由熔断器来完成。用熔断器保护配电变压器不仅结构简单、成本低,而且比断路器保护更有效。短路试验结果表明,当变压器内部发生故障时,为避免油箱爆炸,必须在20 ms 内切除故障。限流熔断器可在10 ms内切除短路故障。而断路器全开断时间由继电保护动作时间、断路器固有动作时间和燃弧时间3部分组成,切除故障一般需3个周波(60 ms)。因此,近年来熔断器保护在一些新型变配电设备中得到广泛应用。

 

二、  负荷开关与熔断器的配合

根据国家标准GB16926—2009《High-voltage alternating current switch-fuse combination》对负荷开关——熔断器组合电器的定义是:“一种组合电器:它包括一组三相负荷开关及三个带撞击器的熔断器,任何一个撞击器动作,负荷开关三相全部自动分闸。” 负荷开关加熔断器组合电器可以开断至50kA 的短路电流,其基本特征是依赖熔断器熔断触发撞针动作于负荷开关。配电变压器短路有单相、两相、三相短路,无论哪种故障,任意一相熔断后,撞针触发负荷开关的脱扣器,负荷开关三相联动,及时隔离故障点,防止缺相运行,顺序是先熔断熔丝,后断负荷开关。

IEC-60420标准对负荷开关与熔断器之间的配合做了明确规定,将电流的开断划分成4个区域:

(1)区域I——正常负荷电流范围。正常负荷电流由负荷开关单独开断。

(2)区域II——过负荷电流范围。电流范围为(1~3)In.FU,In.FU为熔断器熔体额定电流。在此范围内,熔断器承受超过额定电流的过电流,约从2In.FU电流起熔体动作。但熔断器尚不能熄弧,只能由其撞击器触发负荷开关动作,三相开断并熄弧。即在过负荷范围内,由负荷开关三相开断并熄弧。

(3)区域III——转移电流范围。转移电流ITC是指熔断器与负荷开关转移开断职能时的三相对称电流。当I<ITC 时,首相电流由熔断器开断,而后两相电流由负荷开关开断。约从3In.FU起,熔断器动作后亦可熄弧,三相熔断器之一首先动作,触发撞击器并熄弧,由负荷开关断开另两相中的电流。因此,在转移电流区域,熔断器与负荷开关配合共同完成开断任务。

(4)区域IV——限流范围。当故障电流更大时(超过转移电流区域),三相电流都由熔断器开断。熔断器在电流的第1个半波(10ms)就已经动作。这时熔断器断开大于转移电流的电流,负荷开关在撞击器作用下虽动作,但熔断器已断开电流,负荷开关不开断电流。

在选用负荷开关-限流熔断器组合电器时,转移电流是一个重要参数,若选用不当,负荷开关不能承受相应的转移电流,可能会因无力承担开断两相短路电流的任务而爆炸。

在组合电器中实际的转移电流值决定于所用熔断器的时间——电流特性和由熔断器触发的负荷开关分闸时间。

用熔断器的时间——电流特性的偏差为±6.5%,熔断器触发的负荷开关分闸时间t0在0.05~0.3s之间,那么转移电流是熔断器的最小时间——电流特性上对应于熔化时间为0.9t0的电流值。实际上分闸时间不会是一个固定值,而是在一个范围内,在这里应该取其最小分闸时间。

 

三、 熔断器的选择

我们知道,选择熔断器有两个基本条件:

1)  工作电压应与熔断器的额定电压相符,熔断器不宜使用在工作电压低于其额定电压的电网中,如额定电压为10kV的熔断器不宜用于6kV的线路上。

2)  选择熔体时,应保证熔断器与电源侧继电保护之间以及熔断器与负荷之间动作的选择性。

熔体额定电流按下式选择:In=K*Igmax

K取1.5—2,Igmax为变压器最大工作电流。

熔断器产品样本中,用于变压器初级端熔断器的一般选用原则如表1所示: 

变压器额定容量/KVA

100

160

250

315

400

500

630

800

1000

1250

熔断器额定电流/A

16

25

25

31.5

40

50

63

80

80

100

表 1  10 kV 系统变压器熔断器的额定参数

而在实际设计组合电器当中,为了正确选择熔断器还需要考虑以下几个方面:

1)熔断器的额定开断电流值应不小于变压器高压系统的最大短路电流;

2)熔断器的额定电流应允许变压器在实际使用条件下承载周期性过载电流;

3)熔断器的时间——电流特性应适应变压器冲击励磁电流;

4)熔断器时间——电流特性在10s范围内,弧前电流足够小,以保证可靠的保护变压器;

5)熔断器时间——电流特性与熔断器触发的负荷开关分闸时间相配合,使熔断器与负荷开关之间能合理转换开断职能;

假定用户根据其具体运行要求选用10kV、400kVA变压器,高压系统最大故障电流为16kA,则:

变压器满载电流为:In=400*103/(31/2*10*103)=23.1A

允许短时过载电流Ip,假定其值为In的150%,并在变压器的“-5%”分接处抽头,即:Ip=23.1*1.5*1.05=36.4A

冲击励磁电流Is及持续时间Ts按(IEC787中4a条),Is=23.1*12=277A  Ts=0.1s

当变压器的短路阻抗按4%考虑时,变压器二次侧直接短路时,一次侧短路电流Ik:

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

现场周围空气温度比标准值高5℃为45℃。

该熔断器的时间——电流特性,在电流为277A条件下,最小弧前时间应大于0.1s。

以熔断器的时间——电流特性及熔断器触发的负荷开关分闸时间共同确定的,使熔断器与负荷开关之间开始转换开断职能的那个转移电流值,应小于由负荷开关额定分断能力决定的组合电器的额定转移电流值,同时还应小于变压器二次侧直接短路时一次侧的短路电流Ik(577A)。

因此,组合电器开关柜设计者应选用具有如下特性的熔断器:

a)熔断器额定电压应为12kV;

b)额定最高分断能力不小于为16kA,最小开断电流Imbc应小于Ik=577A;

c)其额定电流应充许组合电器装入该熔断器后能够在45℃环境条件下承载稍大于36.4A的电流;

d)能耐受变压器合闸时产生的励磁涌流峰值,Is=277A;

组合电器设计者还可以根据温升试验,或在这些试验的基础上进行计算来确定熔断器的额定电流。

 

四、 结束语

通过以上分析,并结合经济和运行管理等因素,采用负荷开关加限流熔断器组合的保护配置,既可提供额定负荷电流又可断开短路电流,并具备开合空载变压器的性能,能有效地保护配电变压器,已日渐成为新型变配电设备控制和保护电器的主流。

 

参考文献

【1】GB16926-2009,高压交流负荷开关—熔断器组合电器[S]。北京:中国标准出版社,2009。

【2】GBT 15166.6-2008 用于变压器回路的高压熔断器的熔断件选用导则[S]。北京:中国标准出版社,2008。

【3】GBT 15166.2-2008 交流高压熔断器限流式熔断器[S]。北京:中国标准出版社,2008。


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