F-C回路在發(fā)電廠高壓廠用電系統(tǒng)中的應(yīng)用

鄭鴻志,孫 平

（1.國電大連開發(fā)區(qū)熱電廠,遼寧 大連 116600;2.國電電力旅順熱電項(xiàng)目籌建處,遼寧 大連 116041）

高壓限流熔斷器與真空接觸器組合構(gòu)成的開關(guān)裝置簡稱為F-C回路,在發(fā)電廠主要作為高壓電動(dòng)機(jī)、廠用低壓變壓器的保護(hù)和操作裝置,具有控制性能合理、可靠性高、宜于頻繁操作、經(jīng)濟(jì)效益顯著等特點(diǎn)。目前火力發(fā)電廠在高壓廠用電系統(tǒng)一般采用真空斷路器和F-C回路組合高壓開關(guān)柜向廠用負(fù)荷（高壓電動(dòng)機(jī)和低壓廠用變壓器）供電,但供電負(fù)荷容量有明確劃分。

1 F-C回路特性

1.1 高壓限流熔斷器

在F-C回路中高壓限流熔斷器作為短路保護(hù)功能元件,當(dāng)電流超過給定值足夠時(shí)間時(shí),用熔體開斷回路電流切斷接入回路。熔斷器速斷保護(hù)特性好,而且開斷電流越大,開斷時(shí)間越短,能在電流達(dá)到峰值前,將回路斷開。

正常運(yùn)行時(shí),熔斷器電阻產(chǎn)生的熱量與擴(kuò)散熱量平衡時(shí),處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。回路出現(xiàn)過載或短路等故障時(shí),當(dāng)電流足夠大并在足夠長的時(shí)間內(nèi)流經(jīng)該元件,熔體因發(fā)熱而熔化,隨即蒸發(fā),出現(xiàn)斷口,并在斷口出現(xiàn)過電壓,形成電弧。當(dāng)電弧熄滅時(shí),電路斷開,熔斷器對(duì)短路電流的開斷比較迅速。從足夠大的電流開始流過熔斷器,到出現(xiàn)斷口這段時(shí)間稱為弧前時(shí)間,也稱熔化時(shí)間。從電弧出現(xiàn),到電弧熄滅這段時(shí)間稱為燃弧時(shí)間。熔斷器開斷時(shí)間（動(dòng)作時(shí)間）由熔化時(shí)間和燃弧時(shí)間組成,即開斷時(shí)間=熔化時(shí)間+燃弧時(shí)間。

熔斷器對(duì)過載電流的開斷相對(duì)緩慢,熔體的融化和汽化需要一定時(shí)間,在F-C回路中由于保護(hù)配合的原因,過載電流應(yīng)由接觸器開斷。熔斷器的時(shí)間—電流特性如圖1中所示。

圖1 高壓限流熔斷器時(shí)間—電流特性

根據(jù)熔斷器分類,高壓限流熔斷器是后備保護(hù)熔斷器,IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其熔斷時(shí)間為0.01～600 s。

1.2 真空接觸器

真空接觸器是主觸頭在高壓真空室內(nèi),能關(guān)合、承載及開斷正常電流及規(guī)定過載電流的機(jī)械開關(guān)裝置。在F-C回路中真空接觸器用于正常運(yùn)行時(shí)的合、切操作和對(duì)較小故障電流的保護(hù)與分?jǐn)唷?/p>

真空接觸器是利用真空管進(jìn)行滅弧,真空管具有低截?cái)唷⒌屠擞俊⒂|頭耐磨損、適于頻繁操作等特點(diǎn),應(yīng)用于F-C回路的真空接觸器額定電流一般為400 A,額定開斷電流為4 kA。

2 高壓限流熔斷器的選擇

首先要與高壓廠用電系統(tǒng)的短路電流水平相匹配,即熔斷器的額定開斷電流應(yīng)大于回路可能出現(xiàn)的最大預(yù)期短路電流周期分量有效值,以保證故障時(shí)能可靠開斷,并考慮額定電壓和額定電流。

2.1 額定電壓的選擇

額定電壓按相應(yīng)系統(tǒng)額定電壓選擇,根據(jù)其開斷原理及特性,高壓限流熔斷器不宜降低電壓使用,避免熔體熔斷截流時(shí)產(chǎn)生的電壓超過2.5倍工作相電壓,對(duì)回路設(shè)備造成損壞。在F-C回路中,高壓限流熔斷器的額定電壓等于設(shè)備最高運(yùn)行電壓。

2.2 額定電流的選擇

熔斷件根據(jù)其外殼類型和熔斷器布置方式有不同的額定電流,根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境溫度、引線導(dǎo)體尺寸、柜體結(jié)構(gòu)及工程實(shí)際情況等給出熔斷件額定電流。

2.2.1 高壓電動(dòng)機(jī)回路的高壓限流熔斷器

a.高壓電動(dòng)機(jī)回路正常電流和過載電流

發(fā)電廠內(nèi)高壓電動(dòng)機(jī)一般選用鼠籠式異步電動(dòng)機(jī),高壓電動(dòng)機(jī)回路正常電流小于等于電動(dòng)機(jī)滿載電流,按電動(dòng)機(jī)額定電流考慮。過載電流按大于等于1.2倍電動(dòng)機(jī)額定電流考慮。

b.關(guān)合高壓電動(dòng)機(jī)回路時(shí)的啟動(dòng)電流

F-C回路關(guān)合高壓電動(dòng)機(jī)時(shí)主要考慮電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流、持續(xù)時(shí)間和啟動(dòng)頻次的影響。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流可按廠家技術(shù)資料提供的數(shù)據(jù)選取,如缺乏資料,可按電動(dòng)機(jī)額定電流的5～7倍計(jì)算。

c.啟動(dòng)頻次及啟動(dòng)頻次降容系數(shù)

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)頻次為電動(dòng)機(jī)在1 h內(nèi)的啟動(dòng)次數(shù)。由于熔斷器管體充滿了石英砂,電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)其啟動(dòng)電流在熔體產(chǎn)生的熱量散發(fā)很慢,在一段時(shí)間內(nèi)多次啟動(dòng),該熱量將越積越多,使熔件在下一次啟動(dòng)時(shí)軟化或熔化,因此,選擇熔斷器時(shí)必須考慮啟動(dòng)頻次對(duì)熔斷器熔件的降容要求,可以通過啟動(dòng)頻次降容系數(shù)來體現(xiàn)。

2.2.2 低壓廠用變壓器回路高壓限流熔斷器

a.低壓廠用變壓器回路正常電流和過載電流

高壓熔斷器的額定電流應(yīng)超過變壓器滿載電流,等于變壓器的允許過載電流,過載電流必須考慮三相不平衡和分接切換等因素引起的電流增加。過載電流的幅值應(yīng)根據(jù)變壓器所接負(fù)荷確定。

b.低壓廠用變壓器回路關(guān)合瞬變過程

F-C回路關(guān)合低壓廠用變壓器時(shí)主要考慮避開變壓器勵(lì)磁涌流和低壓側(cè)自啟動(dòng)電流的影響。

①變壓器勵(lì)磁涌流及持續(xù)時(shí)間

變壓器突然投入時(shí)的勵(lì)磁涌流不應(yīng)損傷熔斷器,變壓器勵(lì)磁涌流的大小及持續(xù)時(shí)間受多種因素影響,國內(nèi)發(fā)電廠設(shè)計(jì)中變壓器勵(lì)磁涌流通過熔斷器時(shí)所產(chǎn)生的熱效應(yīng)一般按10～12倍變壓器滿載電流持續(xù)0.1 s計(jì)算。

②變壓器低壓側(cè)自啟動(dòng)電流

熔斷器應(yīng)能承受變壓器低壓側(cè)電動(dòng)機(jī)成組啟動(dòng)所產(chǎn)生的過電流,自啟動(dòng)電流和持續(xù)時(shí)間不易確定,低壓電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流倍數(shù)一般為額定電流的5～7倍,啟動(dòng)時(shí)間一般不超過2 s,可按3～4 s計(jì)算。

3 高壓限流熔斷器與真空接觸器保護(hù)配合

3.1 電動(dòng)機(jī)高壓限流熔斷器與真空接觸器的保護(hù)配合

F-C回路中的熔斷器作為保護(hù)電器,可在大故障電流下斷開回路提供保護(hù),在小故障電流或過載情況下借助綜合保護(hù)裝置由真空接觸器斷開回路提供保護(hù),F-C回路的保護(hù)由熔斷器的一次保護(hù)和綜合保護(hù)裝置的二次保護(hù)配合共同完成。

在熔斷器與真空接觸器保護(hù)配合中,熔斷器的最小熔斷時(shí)間—電流特性曲線和綜合保護(hù)裝置的時(shí)間—電流特性曲線交點(diǎn)以下的電流由真空接觸器開斷,并滿足以下條件。

a.真空接觸器的額定開斷電流應(yīng)大于微機(jī)綜合保護(hù)裝置最小特性曲線與熔斷器全開斷特性曲線交點(diǎn)電流。

b.真空接觸器應(yīng)能耐受熔斷器最大限流電流峰值及開斷能量。

c.熔斷器最小開斷電流應(yīng)不超過微機(jī)綜合保護(hù)裝置與熔斷器時(shí)間—電流特性曲線的交點(diǎn)電流,熔斷器最小開斷電流應(yīng)盡量小,最好是電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流。

d.熔斷器最小開斷電流以下的電流應(yīng)由真空接觸器斷開。

e.電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)電流應(yīng)小于真空接觸器開斷電流,熔斷器不應(yīng)開斷。

f.啟動(dòng)電流或突然投入電流的時(shí)間特性應(yīng)在微機(jī)綜合保護(hù)裝置最小動(dòng)作特性以下,以免真空接觸器誤動(dòng)作。

在限流熔斷器時(shí)間—電流特性曲線上標(biāo)出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)時(shí)間TD和根據(jù)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)特性曲線TD點(diǎn)選擇的熔斷器電流Iy點(diǎn),標(biāo)記為P,P點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的曲線或處于這一點(diǎn)右側(cè)的最近一條曲線所對(duì)應(yīng)的熔斷器即是所選用的熔斷器。

圖2為電動(dòng)機(jī)F-C回路的微機(jī)綜合保護(hù)裝置與熔斷器的保護(hù)配合曲線,IQ是F-C回路所接電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流,Ie是電動(dòng)機(jī)的滿載電流,IQ和Ie的交點(diǎn)D對(duì)應(yīng)的時(shí)間TD是電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間,從D點(diǎn)引一橫線至P點(diǎn),P點(diǎn)電流為選擇限流熔斷器電流值Iy,曲線E為綜合保護(hù)裝置的時(shí)間—電流曲線,曲線FB為選擇熔斷器的時(shí)間—電流特性曲線。

圖2 電動(dòng)機(jī)F-C回路的微機(jī)綜合保護(hù)裝置與熔斷器的保護(hù)配合曲線

3.2 低壓廠用變壓器高壓限流熔斷器與真空接觸器的保護(hù)配合

低壓廠用變壓器F-C回路的保護(hù)配合與高壓電動(dòng)機(jī)回路相同,但還需考慮變壓器低壓側(cè)或變壓器內(nèi)部發(fā)生故障,真空接觸器動(dòng)作時(shí),熔斷器應(yīng)能對(duì)變壓器低壓側(cè)短路故障進(jìn)行保護(hù),熔斷器的最小開斷電流應(yīng)低于預(yù)期短路電流。在熔斷器制造廠給出的熔斷器時(shí)間—電流特性曲線上繪出變壓器滿載電流（允許過載電流）、低壓側(cè)電動(dòng)機(jī)成組自啟動(dòng)產(chǎn)生的過電流和變壓器勵(lì)磁涌流曲線,在啟動(dòng)電流降至正常電流拐點(diǎn)處再考慮1.5～2.0的安全系數(shù)。

4 F-C回路動(dòng)、熱穩(wěn)定分析

F-C回路柜內(nèi)導(dǎo)體和設(shè)備都應(yīng)進(jìn)行動(dòng)、熱穩(wěn)定校驗(yàn)。根據(jù)熔斷器限流特性校驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定,根據(jù)熔斷器最大動(dòng)作電流和時(shí)間校驗(yàn)熱穩(wěn)定,弧前時(shí)間較長時(shí),可直接用熔斷器的時(shí)間—電流特性曲線進(jìn)行校驗(yàn)。

4.1 動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)

目前大多數(shù)真空接觸器額定開斷電流為4 kA （有效值）,根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),耐受的動(dòng)穩(wěn)定電流為額定開斷電流的2.5倍,即10 kA（峰值）。還要根據(jù)發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)短路電流水平及熔斷器的限流特性,要求真空接觸器應(yīng)能耐受40 kA半波、峰值電流的沖擊。

與常規(guī)斷路器開關(guān)柜不同,F-C回路限流熔斷器對(duì)短路電流切斷特性具有強(qiáng)烈的限流作用,回路流過的短路電流可能很小,當(dāng)預(yù)期短路電流為40 kA時(shí),由于限流作用,大部分熔斷器只能流過小于30 kA（半波、峰值）電流,而且作用時(shí)間僅為3～6ms,真空接觸器完全可以承受。因此,推薦真空接觸器動(dòng)穩(wěn)定按限流熔斷器截?cái)嚯娏鞣逯担ㄏ蘖骱蠼財(cái)嚯娏鞣逯怠氩ǎ┬ｒ?yàn),并考慮一定的可靠系數(shù)。

4.2 熱穩(wěn)定分析

由熔斷器焦耳積分特性可知,短路電流越小,熔斷器最小弧前（I2t）值越大,對(duì)整個(gè)F-C回路的熱穩(wěn)定性影響越大。根據(jù)F-C回路所形成的保護(hù)曲線和熔斷器焦耳積分特性,短路時(shí)回路的最大熱效應(yīng)值應(yīng)在微機(jī)綜合保護(hù)裝置與熔斷器時(shí)間—電流特性曲線交點(diǎn)電流附近。圖3為F-C回路保護(hù)基本特性曲線,曲線a是某熔斷器廠生產(chǎn)的400 A熔斷器的時(shí)間—電流特性曲線,f點(diǎn)為接觸器的熱穩(wěn)定點(diǎn)（4 kA,4 s）。微機(jī)綜合保護(hù)裝置與熔斷器的時(shí)間—電流特性曲線交點(diǎn)J隨配合情況而改變,根據(jù)熔斷器與微機(jī)綜合保護(hù)裝置的配合原則,電流大于IJ時(shí),熔斷器動(dòng)作。因此,最理想的熱穩(wěn)定配合方式是接觸器的允許熱穩(wěn)定時(shí)間—電流曲線位于熔斷器的時(shí)間—電流特性曲線右側(cè)。而一般電氣設(shè)備的熱穩(wěn)定電流只給定某一組數(shù)據(jù),如接觸器的熱穩(wěn)定電流為4 kA,持續(xù)時(shí)間為4 s（圖3中的f點(diǎn)）。大多數(shù)電氣設(shè)備的熱穩(wěn)定時(shí)間為1～5 s,同一設(shè)備隨熱穩(wěn)定時(shí)間的延長、電流的減小,設(shè)備的允許熱容量而隨之增大,其特性曲線斜率與熔斷器的焦耳積分特性大致相同。因此,當(dāng)接觸器（或其它電氣設(shè)備）的熱穩(wěn)定點(diǎn)位于熔斷器的時(shí)間—電流特性曲線右側(cè),即可認(rèn)為接觸器的熱穩(wěn)定滿足要求。根據(jù)圖3特性曲線,接觸器熱穩(wěn)定點(diǎn)與熔斷器曲線接近重合,實(shí)際工程中應(yīng)避免這種情況。若熔斷器的額定電流繼續(xù)增大,接觸器的熱穩(wěn)定將不能滿足要求。因此,所選熔斷器的熔斷曲線與接觸器熱穩(wěn)定點(diǎn)之間應(yīng)保留適當(dāng)裕度,F-C回路熔斷器額定電流應(yīng)小于400 A。

圖3 F-C回路保護(hù)基本特性曲線

4.3 其它設(shè)備和導(dǎo)體的動(dòng)、熱穩(wěn)定分析

合理選擇熔斷器,F-C回路接觸器可以滿足動(dòng)、熱穩(wěn)定要求。F-C回路柜中導(dǎo)體（如F-C回路引線和小車插頭）和設(shè)備（電流互感器等）動(dòng)、熱穩(wěn)定值若大于或等于接觸器動(dòng)、熱穩(wěn)定值便可滿足動(dòng)、熱穩(wěn)定要求。F-C回路柜內(nèi)不屬于該柜單元范圍內(nèi)的導(dǎo)體如貫穿主母線等,其動(dòng)、熱穩(wěn)定電流應(yīng)按高壓廠用電系統(tǒng)實(shí)際短路電流水平考慮,不能降低。

5 最大供電負(fù)荷容量

接觸器熱穩(wěn)定點(diǎn)（4 kA,4 s）與400 A熔斷器的時(shí)間—電流特性曲線非常接近,若熔斷器的額定電流繼續(xù)增大,接觸器的熱穩(wěn)定將不能滿足要求。當(dāng)回路的預(yù)期短路電流為40 kA時(shí),額定電流為400 A的熔斷器截?cái)嚯娏饕殉^40 kA,接觸器動(dòng)穩(wěn)定電流不能滿足要求。受真空接觸器耐受動(dòng)、熱穩(wěn)定影響,F-C回路供電負(fù)荷容量不能過大,當(dāng)廠用電系統(tǒng)電壓為6 kV時(shí),熱穩(wěn)定電流為4 kA、持續(xù)時(shí)間為4 s的真空接觸器,選取容量為1 000 kW及以下的電動(dòng)機(jī),1 250 kVA及以下的低壓廠用變壓器應(yīng)選用F-C回路供電。

[1] 李一草.高壓F-C回路的應(yīng)用[J].電工技術(shù),2008 （8）.

[2] 李改茹.F-C回路的設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].黑龍江科技信息, 2004（10）.