FFS-FUR高压限流熔断器组合保护装置

FFS(FUR)系列高压限流熔断器组合保护装置

    概述        
   发电厂主机及变压器供电电源原理图如图1所示，K4、K5是高压断路器。对于断路器的要求是既能切断正常负荷，又能在发生短路故障时排除短路故障，同时承担着控制和保护的双重任务。

     故障时短路电流对电源设备的破坏主要在于：    
1.电动力效应，即电动力大小与作用时间的乘积∫i2 dt。    
2.热效应，即电流产生的导体发热∫i2 Rdt。

3.电弧效应，即由电弧释放能量对液体分解产生的压力对密封的容器的破坏作用∫ Uarcidt,Uarc是与电流有关的弧压。      

     由此可见，对短路故障有效的保护应当是同时降低短路电流的峰值和电流作用的时间，即i∫。国内原来较多的使用SN4型少油开关，由于少油开关本身所固有的缺点,现在许多厂家较多地选用真空断路器。但是，无论是少油开关还是真空断路器，都普遍存在着以下问题:    
1)短路电流中的非周期分量很大，当发电机端口发生故障时，此时的短路电流由发电机提供，由于发电机的X/R(X为发电机同步电抗，R为发电机定子回路总电阻)较大，因此故障发生时短路电流的衰减时间常数较大，造成几个周波内电流不过零，即所谓“失零”问题。
由于交流电流开断是以电流过零时输入断口能量为零及燃弧时间尽量短为基础，失零现象严重恶化了断路器的工作条件，导致开断困难。    
2)即使断路器能够开断短路电流，但由于必须过零开断，开断时间太长，通常需要几个周波，这样长的时间对某些电器设备已起不到应有的保护作用，此时，短路电流的峰值已经几次冲击发电机、断路器和变压器，对发电机和断路器都有很大的电动力和热效应作用。所以断路器保护方式并不是十分有效的，几次重大事故就可能将一台造价数百万元的发电机损坏，并可能引起断路器的爆炸。    
3)若短路故障发生在变压器进线端，由于断路器不能快速切断短路电流，长时间的短路电流产生的电弧能量将使变压器炸裂。   
4)为了解决以上问题，有些场合选用限流电抗器来限制短路电流。但是，电抗器只能改变电流的峰值而不能改变短路电流过零点的时间，也即不能改变断路器开断短路电流的时间，因而不能从根本上解决短路电流对电机、断路器及变压器的冲击问题，而且又产生体积、造价等其他一些问题。    
5)对于选用SN4型少油断路器的系统，由于SN4的开断能力按国家有关规定为58kA，通常在发生短路故障时短路电流大于58KA，超过断路器开断能力，造成严重的短路事故。     
6)正常工作时的额定电流很小，而发生短路故障时的短路电流很大，存在额定电流与短路电流相差过大的矛盾，断路器是按开断短路电流进行选择的，设备、线路及断路器本身就必须设计有足够的热稳定、动稳定裕度，以至断路器的体积过大、造价过高。

由此可见，断路器即使能在几个周波内开断短路电流，但短路网络已经通过了短路电流的峰值，已经造成了对系统网络的破坏，不能从根本上起到保护的作用，为了克服断路器方案存在的问题，目前已经越来越多地采用高压限流熔断器组合保护装置。           
高压限流熔断器组合保护装置的基本原理

     高压限流熔断器组合保护装置是采用限流熔断器FU和吸能元件高能氧化锌电阻FR组合使用来有效地防止短路电流对电器设备的破坏作用。简称为FFS。

     为了解决断路器方案存在的问题，采用熔断器和高能氧化锌电阻的组合方案，将断路器的控制与保护作用分离，用熔断器切除短路电流，负荷开关切除正常和一般过载电流。

在图1所示的电路中增加虚线框内的熔断器和高能氧化锌非线性电阻后，若厂用变压器T2高压侧发生短路，FFS可以在预期短路电流峰值到来之前熔断并熄灭电弧。由于限流熔断器FU的限流作用，当短路电流上升到一定高度 时，熔断器熔断并截流，同时熔断器产生弧压将电流迫入氧化锌电阻FR中快速衰减。

   熔断器FU的作用是在一定时间内限制短路电流并产生弧压，氧化锌电阻FR的作用是限制过电压并且在一定时间 后将熔断器中的电流转移到自身中，吸收磁场能量，同时 快速地将电流衰减到零，使电源提供的能量最小。

  
高压限流熔断器组合保护装置的优点

     ◆ 高压限流熔断器组合保护装置具有断路器加限流电抗器所无法比拟的优点：快速性和限流性。

     ◆ FFS的快速性和限流性决定了该装置的开断方式与断路器有着本质的区别。熔断器的快速性是由其物理特性所决定，能够在第一个大半波升起之前强行切断短路电流，截流时间不超过2ms，截断电流只有短路电流峰值的15%左右。

     ◆ 熔断器的限流性使得主机、变压器及断路器不再受短路峰值电流的冲击，避免了因几个周波大电流冲击而引起的电器设备的损坏。

     ◆ 其限流性与快速性使得I2t很小，可确保变压器不炸裂，且母线链接无须考虑动热稳定问题。

     ◆ 每相熔断器装有一只撞击器，其物理特性决定了熔断器不会拒动作，而只要有一相熔断器动作就会联动负荷开关跳闸，即避免了缺相运行，又可以和备用电源联动，使主机不停运。

     ◆ 高能氧化锌电阻FR与熔断器FU的良好配合，限制了操作过电压，进一步保证了设备的绝缘安全。

     ◆ 与之配合的负荷开关或熔断器只用开断一般过载电流和额度电流，大大减轻了断路器的负担，延长了使用寿命和检修周期。

     ◆ 该保护装置体积小、成本低、且易于更换。

     熔断器及氧化锌电阻参数的选择

熔断器FU参数选择的原则是，除短路故障以外任何情况下不得动作，在短路故障时尽快地限制并切除短路电流。根据IEC规范要求而推荐使用的组合曲线，熔断器额定电流In大于变压器IN的百分之四十，即In≥1.4IN ，这样就可以保证变压器在短时允许过载的情况下熔断器不误动作。另外国家标准规定变压器突然合闸是磁化冲击电流为满截电流的10-12倍，允许持续时间为0.1秒，因此必须保证熔断器通过12倍变压器满截电流持续0.1秒并连续冲击100次无老化现象。（图2）

按照上述要求选择的熔断器在厂用变压器发生突然短路时，其截断电流时间t1小于2ms，截止电流Ip仅为预期电流峰值的百分之十几。此时发电机的截止电流Ip2 (Ip =Ip1 + Ip2 ) 均很小,对发电机和变压器几乎无冲击。由实验得到的熔断器截止电流特性曲线又称限流特性曲线，从此特性曲线可得不同短路状况下不同预期电流所对应的截止电流值。熔断器有良好的限流性，当预期短路电流增加十倍，截止电流仅增加1.8倍左右。（图3）

熔断器的另一条特性曲线称为I2t特性曲线，当预期电流增加到一定值时，I2t为一不变常数，若用熔断器来开断短路电流，即使不考虑非周期分量，其I2t值也要比熔断器大几千甚至上万倍，可见破坏力大得多。（图4）

高能氧化锌非线性电阻FR的选择原则是:应当将熔断器开断时产生的操作过电压限制在2.5倍相电压以内，同时应当保证有足够的能力吸收对应截止电流衰减到零时系统中的磁场能量。

     各种发电机的接线方式、阻抗、电压等级、变压器容量等参数各不相同，本公司可根据机组具体情况精确计算，选择熔断器和高能氧化锌电阻的参数，给制安秒特性曲线、限流特性曲线及I2t特性曲线，同时给出安装尺寸，一、二次线路图。

    
熔断器FU及高能氧化锌组FR合的基本结构

  1.熔断器FU的基本结构

  a）插入式：产品符合德国DIN标准和国际IEC标准，其特点是易于更换。推荐长度为537mm，额定电流In≤40A时直径d=53mm。40A＜IN≤80A时直径d=67mm,IN ＞80A时直径d=85mm。

  b）母线式：产品符合英国BS标准和国际IEC标准，直接用螺丝紧固在母线排上。其特点是安装体积小、接触可靠。

  2.高能氧化锌FR的基本结构见下图，为了与FU配合良好，具体尺寸视FU的外型尺寸而设计。     
3.FFS组合装置的基本结构:对于已装置的机组，为了改进设备，可增装熔断器和高能氧化锌电阻。整套元件分三相安装，每一相安装在一块厚度为10mm的高强度环氧玻璃板上，基本尺寸见图。    
4.FFS与负荷开关组合的基本结构：对于没有装设断路器的机组，通常采用FUR与负荷开关组合使用。其特点是FUR与负荷开关各负其责，FUR开断大的短路电流，负荷开关开断一般过载电流和额定电流，结构简单，操作方便。    
5.FFS与真空断路器(或负荷开关)组合的基本结构： FFS与真空断路器组合使用，利用真空断路器的开断能力与FUR的开断能力在时间上实现良好配合，对电器设备的保护更加安全可靠。将FUR与真空断路器一同安装在开关柜中，其基本尺寸及外型结构见图。   
6.由于各种发电机的情况不尽相同，对于一些特殊情况可以由用户提出要求，也可以由我方提出方案供用户选择，进行特殊设计。

产品型号及选型

      
FFS的技术参数    

    额定频率:50Hz

    额定电压:（kV）6.3 ,10.5,13.8,15.75,18;

    额定电流:保护器的额定电流即最大允许流过保护器的额定工频电流有效值。

常用的有以下档次: 31.5,40,50,63,80,100, 125,160,200,250,315    

    使用环境

    1.环境温度：户内型-30℃～+60℃；

    2.海拔高度：不超过2000米(高于2000米时，请在订货时间说明)；

    3.周围空气没有明显的受到尘埃、煤气、烟气、腐蚀性等具有爆炸性混合物的污染；

    4.周围的空气湿度：日相对湿度平均值≤96%，月相对湿度平均值≤90%
,日水蒸气压力平均值≤2.2kPa，月水蒸气压力平均值≤1.8kPa；

    5.地震烈度：≤8级。

包装、运输、储存

1.一般采用木箱包装，柜体底座应固定在包装箱板上。

2.建议不要长距离在三级公路上运输，必要时可以拆散包装，重要配件建议不要采取公路运输。

3.不宜长期在户外储存，长期不用时，应储存在干燥、通风的户内仓库中。

 安装、调试、维护

1.本公司负责按用户的要求进行图纸设计及参数选择，由本公司技术人员组装与调试，设备组装调试完毕后，由专业人员检测合格后方能出厂。如用户需要，本公司提供现场指导安装及调试，用户提供必要的配合与协助。

2.用户在遵守保管条件及正常使用情况下自安装使用之日起12个月内，或从发货之日起18个月期限内，产品由于质量原因或不能正常工作，制造厂为用户提供更换或维修。

 3.本公司对产品提供终身维护，对使用我公司产品的客户按成本价提供备品、备件。

定货须知

 1.用户应提供相关的线路额定电压、柜体尺寸等资料。

 2.如用户特殊要求应在定货时提出。

 3.需要其它额外附件或备件，应在定货时注明所需的种类及数量。