电气短路分析与限制措施

电气短路分析与限制措施

张经明

光大绿色环保管理（深圳）有限公司 , 广东 深圳 518000

摘要：短路通常有电气设备载流部分的绝缘损坏、误操作等原因造成。本文采用新的理念和新的技术，对过电流分析及其采用新的限制和控制措施。

关键词：短路电流；断路器；开断电流；

1 绪论

随着我国电网的发展，具有固体绝缘的电缆线路逐渐取代架空线路。由于固体绝缘击穿的积累效应，在3～4倍的内部过电压作用下，局部放电会造成绝缘的积累性损伤。绝缘损伤一定程度造成短路，短路时产生很大的热量和电动力，电压骤降，造成停电事故，影响电力系统运行的稳定性；

大容量快速开断装置额定电流大，开断能力强，截流小，速度快，是发电机出口、厂用变、励磁变分支等短路容量较大的场所的快速有效的保护装置，采用新的原理将传统的机械式开断技术用物理开断的思路取代，时间更快保护更好，对于短路容量不同的场所，应用FSR后，可使系统免受冲击，对设备的动稳定性和热稳定性要求大大降低，从而节省大量资金。

2 短路电流分析及大电流开断应用分析

（1）传统的断路器保护方式存在的问题：开断的时间长、冲击电流大，短路故障后，继电保护动作时间为30～40ms,断路器固有分闸时间为40～80ms，燃弧时间要10～20ms, 故障切除时间长达80～140ms。对于50HZ的电网，短路后5～10ms之内达到冲击电流最大值。早在断路器开断之前，系统的设备就已经受到了3～4次大电流的冲击。

（２）由于冲击大，时间长，使得在系统设计时，就要对发电机、变压器、互感器、母线等设备在动稳定性和热稳定性方面要考虑留用足够的余度，这就必然要增加很多投资。

目前，在系统中并网运行的300MW大型机组已经很多，600MW及以上机组也已投产多年，这些大型机组发生出口短路时，电流超过80KA，厂用变或励磁变分支短路时，电流将超过100KA，发电机出口或厂用分支无法选到合适的断路器，人们不得不耗费很多资金把发电机至变压器之间设计成封闭母线，还有的厂用变压器、励磁变压器由三个单相变压器组成，意在尽量避免出口短路，但是当发电机出口发生间歇性弧光接地时，非故障相避雷器动作或绝缘薄弱环节击穿等等，都会导致发电机出口相间短路的发生，后果不堪设想。

3 开断技术的新突破

目前国产真空断路器开断电流可以做到63KA，额定电流可以做到4KA。国外真空断路器或六氟化硫断路器开断电流可达到80KA，额定电流12KA，但价格最少需30万美元,而大型发电机出口或厂用分支短路时，80KA的开断电流还远不能满足要求。

用负荷开关和熔断器串联组成的组合保护装置，可以在短路后10ms之内切除故障，使系统短路时设备动稳定性和热稳定性要求有所降低，但是限流熔断器的开断电流最大只能做到63KA，对于短路容量不断增大的供用电系统来说，这还远远不够。

我们知道，电力系统是由很多电感，电容等储能元件构成的，发生短路时电容的作用可以忽略。开断时电感元件储存的磁能将通过熔断器或断路器的断口以电弧能量的形式释放出来，与此同时电源还会向断口注入一部分能量。这些断口吸收的能量过大，将使熔断器壳体或断路器灭弧室的压力超过所能承受的极限值而发生爆炸，这就是熔断器或断路器开断电流不能做得很大的原因。

采用氧化锌非线性电阻作为吸能元件，并联在熔断器两端，用以提高开断能力，使氧化锌非线性电阻导通吸收电感中储存的磁能及电源注入的能量，而非线性电阻导通使熔断器顺利熄弧，同时非线性电阻良好的非线性特性，把开断时过电压限制在2.5倍额定相电压之内。

我们通常所说的开断电流IK是指短路起始瞬间短路 电流周期分量有效值。预期短路电流峰值，等于 Ik。由于开断时刻的随机性，电感中储存的能量最大，由于熔断器熔断时间极短（一般为1～2ms），截流值只有预期短路电流峰值的30％－40％，需要非线性电阻吸收的磁能较小，国产氧化锌非线性电阻每片可用容量达20KJ，经验计算熔断器开断时吸收的磁能约0.7MJ，仅需35片就已足够。由于截流值Ip很小且随预期短路电流的变化不大，所以理论上讲熔断器与氧化锌非线性电阻的并联，开断电流可做得足够大。

4 大电流短路快速开断分析

大容量快速开断装置主要由桥体FS、熔断器FU、非线性电阻FR及测控单元等组成，简称FSR 。

测控单元定期检测电流和电流变化率，短路时向桥体发出分断命令。

正常时的工作电流经桥体流过，接到测控单元的分断命令后，桥体在0.15ms之内断开，电流转移到熔断器，经0.5ms熔断器熔断，产生的弧压使非线性电阻导通。

非线性电阻导通后吸收磁能，并把过电压限制在允许的2.5倍相电压之内。额定电流大（可做到12KA），开断能力强（240KA），截流时间短。与传统的断路器开断方式相比具有以下显著特点：

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，故障被完全切除。传统的断路器保护方式最快也要75ms，至少为FSR的25倍。

系统永远达不到预期的冲击电流，设备的动稳定和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1/7～1/6左右，系统承受的电动力大大减少。

2）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。

3）开断容量可以足够大。

只需要配置相应的非线性电阻来吸收磁能，开断容量就可以做得足够大。此外由于本装置引入电流变化率做判据，灵敏度更高。

设计上采用三个相同的独立工作的测控部件，以“2/3表决方式”判断故障的发生，可靠性更高。

5 应用

与电抗器并联是最经济有效的限流方案

有些发电厂的机端母线上接有容量不大的厂用电负荷或直配线路,还有些变电所接有负荷不大的供电线路或所用电负荷。按照系统的实际短路电流来选择这些负荷断路器,往往很不经济,为此需要采用电抗器限制短路电流。但串入电抗器后,却存在如下问题：

1. 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，给调节供电电压质量造成困难；

2. 较大电动机启动时，电抗器上的电压降会加剧，将影响其它负荷的运行；

3. 电抗器长期串联在供电系统中，将产生巨大的电能损耗；

4. 电抗器强大的漏磁场，将使周围的金属构架、钢筋混凝土产生附加热损耗和振动，影响运行寿命。

将FSR与电抗器并联后，可解决上述问题，并保留电抗器的限制短路电流的功能。

氧化锌非线性电阻与熔断器并联，可使开断能力大大提高，是开断技术的一个重大突破,采用FSR与电抗器串联的限流方案，可提高供电可靠性，并可带来巨大的经济效益。如果考虑与FSR并联后，电抗器可只按短时冲击电流设计，从而电抗器造价大大降低。

参考文献

[1] “同步发电机出口短路分析及采用大容量电子化熔断器作短路保护的新概念”，《高压电器》第五期，1995年淡淑恒 王季梅

[2] 《电力系统过电压》 武汉水利电力大学 解广润。

[3] “矿山电网近几年过电压事故的原因及改进措施”，鞍钢集团鞍山矿业公司，段喜涛、谭宇海。

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