clip限流保护器在中压配电系统中的应用初探_secret

1、CLiP限流保护器在中压配电系统中的应用初探摘要： CLiP限流保护器融合了传统限流熔断器的所有优点，是一种一次分断、快速动作的中压故障保护装置。在中压系统中CLiP对有效限制短路电流、减少电能损耗、提高供电质量等，具有良好的作用。文章扼要论述了CLiP限流保护器（简称CLiP）的工作原理和应用实例以及电抗器能耗费用的计算方法。 关键词： 中压系统； CLiP限流保护器；动作原理；应用实例 随着国民经济的发展，人民生活水平的提高，中压配电网的规模和容量也渐渐增大。配电网络不断扩展，变电站不断增容，以及备用发电机的使用，均会导致配电系统故障电流的增大。如果扩大配电网络容量的同时，对故障电流不进行

2、有效的控制，这些系统中原有设备开断和耐受短路电流的能力，有可能不能满足要求。通常，对原有配电系统可以采取的限制短路电流的措施有：在配电网络的适当部位加装限流电抗器，以将下游回路的短路电流，限制到原有设备的短路额定值以内。变电站内变压器分裂运行，即将母线联络断路器经常打开运行。按配电网络扩展要求，更换原有设备。增加配电电源点。这样，势必要重新划分供电范围，会涉及到原有系统的改造。仔细分析上述措施可知，这些措施均存在某些弊端。除了上述限制短路电流的措施以外，是否有简单易行，既不要花费很多的改造费用，又不要对原有系统大动干戈，也不会带来很多电能损耗费用的办法。CLiP限流保护器（简称CLiP）就是基

3、于这个理念，由美国电力科学研究院（EPRI）研发和提出的一项科研成果，它融合了传统限流熔断器的所有优点，是一种一次分断、快速动作的中压故障保护装置。在38kV及以下的系统中，CLiP额定电流可高达5000A，短路开断能力达120kA；15.5kV限流保护器的对称开断电流可高达311kA（rms）。显然，其性能优于传统保护装置。 来源: 美国G&W电气公司生产的CLiP限流保护器，属于转换型限流保护装置（TCL），是由装于主导电回路上的高速切断装置和并联限流熔断器(PAF)组合而成的。本文扼要论述了CLiP的工作原理和典型应用实例。 1 工作原理及基本参数 1.1 工作原理在讨论CLiP的具体应

4、用前，需要简单说明CLiP的工作原理。从原理上说，转换型限流保护装置TCL属于具有持续载流能力的高速切换开关。 CLiP主要由装于主导电回路上的高速切断装置（开关）和并联限流熔断器组合而成，如图1所示。正常工作时，电流流经分段的铜母线排，而并联限流熔断器回路的电阻较大，仅分流约0.1%的电流。当电子点火逻辑装置检测到满足跳闸准则的短路故障信息时，启动一直线型的切断装置，将铜母线排切成数段，每一段铜母线向上翻起，形成断口，断口间将产生电唬此时，铜母线各断口电弧电压之和会加到熔断器的两端，迫使故障电流进入并联限流熔断器。当对称故障时，熔断器于短路电流的前1/4个周期内高速熔断；非对称故障时，熔断器

5、于短路电流的前1/2个周期内高速熔断。保证故障电流在第一个峰值来临前被安全地切断，从而使保护设备不会遭受任何危害。 来源: 图1 CLiP结构示意图 并联限流熔断器具有很高的能量吸收能力，但使其熔化的I2t值比较低。该熔断器实际的限流点比灭弧时间早。与大多数重合器、切换开关、断路器和排气式熔断器的分断情况不同，该限流式熔断器不是电流过零灭弧的。 1.2 保护选择性配合 CLiP属于一次分断装置，也就是说，动作后如同熔断器一样必须更换。从保护选择性配合的观点看，CLiP是一种自毁性的保护装置。因此，当故障电流处于其他保护装置（断路器）开断能力范围以内时，应由其他保护装置按其标准配合曲线设定的整定

6、值动作，切除故障回路。仅当故障电流超过其他保护装置的开断能力时，才启动CLiP动作。这样，可尽量减少CLiP的动作和更换次数。在电力系统中，单相接地故障占全部故障的60%以上。而中压电力系统的安全可靠性，在其他条件相同的情况下，只取决于系统中性点的工作方式。通常，中压配电系统中性点采用不接地、消弧线圈接地、谐振接地、低电阻和高电阻接地方式，取决于配电电压等级、网络结构和单相接地故障电容电流的大小等因素。不管采用何种中性点接地方式，当发生单相接地故障时，甚至两相短路时（须经过校验），均不需要启动CLiP动作，完全可由其他保护装置来切除故障回路。因此，不用担心采用CLiP后需要经常更换的问题。 来

7、源:为了便于理解，可将CLiP主回路中的高速切断装置（开关）看成由电子点火逻辑装置引爆的爆炸式断口。电子点火逻辑装置按设定的动作准则启动CLiP，仅反应故障电流的量值，而与故障电流的电流时间特性、设备规格（或熔化I2t值）、温度等因素没有关系。电子点火逻辑装置动作准则的选择与CLiP的具体使用场合有关，是一个比较复杂的议题，但制造厂会根据具体的使用场合，提供详细的整定值和选择指南。 1.3 故障能量限制众所周知，故障电流引起的损害与故障能量有关。故障电流的I2t值近似与故障能量成正比，通常可用这个值来衡量损害的影响。与不带限流装置的断路器相比，CLiP在减少故障电流损害方面具有惊人而奇特的作用

8、。举例来说，一个分断时间为5个周期的40kA(rms)断路器，产生的I2t=133106A2 s；而采用CLiP以后，在相同的故障情况下所产生的I2t=600103A2 s，仅为断路器的0.45%。因此，CLiP不仅可以独立使用，还可以作为若干配电系统的补充装置，广泛应用于保护领域。 2 典型应用实例 2.1 CLiP与电抗器并联（旁路）如上所述，限流电抗器是配电系统控制短路电流水平的有效措施之一。但配电系统引入电抗器以后，会带来2个问题：一是会明显增加电能消耗，增加运行费用；二是增加在电压调整上的困难。在带负荷的情况下，一般电压不会降到95%以下。但即便是5%的电压降也会使设备的效率减少约1

9、0%，在照明系统中将减少的更多。设备效率降低、能耗增加，这些是电抗器本身损耗以外的附加损耗。配电系统中设备效率的显著下降是不允许的。另外，电压降低可能会影响大电动机的启动等。 来源: 电抗器并联CLiP后，上述问题可以迎刃而解。因CLiP的电阻是以微欧计算的，电抗器与CLiP并联组合，既能保持电抗器限流的优点，又能克服引入电抗器后带来的“损耗”和“电压降”问题。正常运行时，电抗器被CLiP短接，电抗器基本上没有电流流过。当系统中发生短路故障时，如果故障电流超过故障回路断路器的开断能力，则CLiP限流保护器启动并打开，将故障电流转到电抗器，就可由断路器切除故障回路；当故障电流没有超过故障回路断路

10、器的开断能力时，CLiP不启动，直接由断路器切除故障回路。电抗器与CLiP并联使用时，应考虑下列问题：（1） 电抗器必须具有足够大的电抗值，以将故障电流限制在设备额定值以内。但电抗器的阻抗又不能太大，以免电抗器上的电压降影响系统正常运行。如果所需电抗器的阻抗太大，以致不能采用电抗器，此时，可选用独立的CLiP实现保护功能，但与电抗器并联使用的优点也就不存在了。（2） 必须考虑单相和两相短路故障的情况： 1） 大多数三相故障将引起三相CLiP动作。国内中压系统单相接地故障，可由故障回路的断路器来切除故障，图2中的CLiP不需要动作。当发生两相短路故障，且故障电流已超过故障回路断路器的开断能力，则

11、CLiP是动作两相还是三相，取决于系统是否允许长期三相电压不平衡运行，因仅接入二相电抗器会造成系统三相电压不平衡。这是由系统运行条件决定的。 来源: 2） 如系统允许三相电压不平衡运行，对图2中旁路隔离开关可有2种选择：在CLiP两侧装设隔离开关，该隔离开关至少具有切断负荷电流的能力，在需要更换CLiP母线分断器期间，打开旁路隔离开关而系统不需要停电。不装设旁路隔离开关，直到系统可以方便停电时，再更换CLiP的母线分断器。 3） 当两相短路故障同时动作三相CLiP时，可以采用1组“脉冲变压器”。但需要注意，非故障相是强行使其动作的，该相电流数值很小，CLiP的并联熔断器对如此小的电流可能不能熔

12、断，或熔断时间过长而不能接受。典型的“后备”型限流式熔断器具有最小的熔断电流值。装设旁路隔离开关的另一个好处是，当发生这种情况时可由它来隔离CLiP的并联熔断器。 4） 为了支撑与电抗器并联使用的CLiP的功能，在装置的每相上装设1只监视继电器，如果某一相CLiP动作转换到电抗器，继电器也将给出一个相应的转换。该继电器具有2组“干式”C接点，可供用户控制接口使用，继电器的动作时间为2个周期。（3） 更换熔断器时与系统的隔离。通常，必须在系统停电或重要生产过程停止运行时，更换CLiP的母线分断器和并联熔断器。正如前面所述，为了解决这个问题，图2中在CLiP的两端配置了旁路隔离开关。为确保检修人员

13、的安全，更换工作应在隔离、可靠接地的条件下进行，并应符合有关规范和实践经验。 来源:（4） 必须审查电抗器接入系统的暂态响应。人们往往担心CLiP动作、电抗器接入系统时的暂态响应。应根据系统参数和运行特性分析对系统的影响。但对整个系统来说，短路故障本身就经受了暂态过程。电抗器是在故障发生的初期被置换到电路中去的，相对于在短路后期、比较大的电流等级下置换，其影响程度肯定小的多。 2.2 CLiP与母线联络断路器串联图2是一个比较典型的中压配电系统。为了启动大容量电动机，或更好的平衡变压器的负荷，或优化分配发电机与相邻母线的输出容量，常常需要将母联合上运行。但母联合上后，2台变压器、发电机并列运行

14、，使短路故障电流大大增加，可能会超过系统允许的故障额定值。大面积更换设备投资太大而不现实，在母联回路串接CLiP是最好的选择。母联通过CLiP经常合上运行，不需要更换两段母线上的设备。当发生故障时，启动CLiP动作，将两段母线解列后，故障电流量值将减校也就是说，CLiP动作后的某一时刻（如25个周期），下游开关装置将安全切除“残余”故障电流，而此时的故障电流不再是原先通过CLiP的电流，该电流值被设计在下游开关装置的短路开断能力以内。在图2母联右侧母线上接有1台发电机，在工业企业的配电系统中常有这种情况。假如在图2所示位置发生故障，通过CLiP的故障电流为16kA （rms，sym），总的故障

15、电流为25kA，而设备的额定开断能力为 来源:20kA。从切除故障来说，这个系统是十分安全的。CLiP动作以后，可用其位置继电器的接点将母联连锁跳开，再打开旁路隔离开关，就能安全更换CLiP的母线分断器和并联熔断器，此时两段母线均不需要停电。 图2 CLiP限流保护器与母联开关串联 CLiP与母联断路器串联使用时，应考虑以下问题：（1） CLiP额定开断电流的选择。当选择与母联串联使用的CLiP的额定开断电流时，不需要按系统可能出现的总故障电流选择，仅按系统总故障电流中可能流过CLiP的最大故障电流来选择，当然要考虑系统远景发展的需要。（2） 必须考虑单相和两相短路故障的情况。前面已经讲过，在

16、装置的每相上装设1只监视继电器，如果某一相CLiP动作，该继电器也将给出一个相应的转换。该继电器具有2组“干式”C接点，可供用户控制接口使用，继电器的动作时间为2个周期。因此，为了避免母联回路的CLiP非全相分断而引起的不平衡电流，可利用该继电器的接点将母联开关跳开。（3） CLiP动作后的系统应响。 1) 关于变压器的并列运行。在中压配电系统中，通常将2台或数台变压器并列运行。并列运行具有下列优点：提高供电可靠性，一台退出运行，其他变压器仍可照常供电；在低负荷时，部分变压器可不投入运行，因而能减小能量损耗，保证经济运行；减小备用容量。 来源:高压开关网变压器并联运行时，一般希望变压器之间没有

17、平衡电流；负荷分配与额定容量成正比，与短路阻抗成反比；负荷电流的相位相互一致。为此，变压器并联运行必须遵守以下条件：并联运行变压器的一次电压、二次电压相等，即变比要相等；额定短路阻抗相等；接线组别相同，即极性、相位相同。上述条件要绝对满足是不可能的，一般规定变比的偏差不得超过0.5%，额定短路阻抗相差不得大于10%。 2） 要验算CLiP动作后的“残余”短路电流。短路故障电流可能来自变压器、发电机、电动机的反馈电流等。在CLiP动作后，提供短路电流的路径会发生变化。以图2为例，CLiP动作前，2台变压器并列运行，假定2台变压器来自同一个电源（阻抗为Z1），左侧变压器阻抗为Z2、右侧变压器阻抗为

18、Z3，则由各台变压器提供的短路电流按其阻抗大小分配。设CLiP动作前后，由变压器（Z2）提供的短路电流分别为I2和I2。当CLiP动作后，对图3中的短路故障点而言，Z3=，不难求得 I2/I2=（Z1/Z3+2/(Z1/Z2+1)通常，Z21.2Z3（或反之），Z3Z1，则式（1）的比值总是大于1。也就是说，CLiP动作后，由变压器（Z2）提供的“残余”短路电流将增加。因此，应注意校验下游开关装置应能可靠分断该电流。 来源: 3 关于电抗器能耗费用的计算方法 3.1 电抗器能耗费用的计算方法电抗器的损耗要消耗电能并占用电网为供给这部分损耗所需的附加容量。下面将这二部分费用分别称为电能消耗费（俗

19、称电费）和能源需求费用（俗称容量电费或基本电费）。 3.1.1 损耗系数为了便于计算每千瓦损耗引起的总投资费用，引入损耗系数的概念，其定义为 F1s=年每千瓦损耗所消耗的电能数/8760 （2） 式中，8760为一年的小时数;F1s为损耗系数，标幺值。 3.1.2 每千瓦损耗年电能损耗费用C1s第一年的电费C1s=F1sCL（3）式中，CL为对应电压水平下的电费单价。各地区不同，一般可取0.5元/ kWh=0.58760元/（kW年）。 3.1.3 每千瓦损耗的能源需求费用Cd每千瓦损耗的年能源需求费用Cd=F1sD（4）式中，D为年能源需求费用，元/（kVA年）。一般取144元/（kVA年）

20、。由式（3）和式（4）可以求出第一年由每千瓦损耗引起的总费用： 请登陆:高压开关网 浏览更多信息第一年由每千瓦损耗引起的总费用=F1s（CL+D） （5） 通常，假定在年末支付费用（终值），应将上述费用折算成采购日的现值。可采用技术经济学中一次支付现值公式现值=终值（1+i/100）-N(6)式中,i为贴现率，%。不包括通货膨胀的影响。一般可用国家规定的银行贷款利率（如10%）。N为计算周期，年。这里，N为电抗器寿命，取30年。这样，第一年由每千瓦损耗引起的总费用现值为 A1=F1s（CL+D）/（1+i/100）=A /（1+i/100）(7) 考虑到由损耗引起的费用与负荷的年增长率a和能源

21、成本年增长率b有关，因此 第2年由每千瓦损耗引起的总费用现值 A2=A（1+a）2（1+b）/（1+i/100）2 第3年由每千瓦损耗引起的总费用现值 A3=A（1+a）4（1+b）2/（1+i/100）3第N年每千瓦损耗引起的费用现值 AN=A（1+a）2（N-1）（1+b）（N-1）/（1+i/100）N 请登陆:高压开关网 浏览更多信息 3.1.4 电抗器寿命期内的损耗总投资费用（现值）在电抗器寿命期N年内，由每千瓦损耗引起的费用现值总和为上述N项之和。实际上，上述数列为一个等比数列，其公比r=（1+a）2（1+b）/（1+i/100）。由等比级数求和公式，可得N年内由每千瓦损耗引起的费用现值总和Ctot为 Ctot=F1s（CL+D）Q/（1+i/100）（8）Q=（1-rN）/（1-r） （9）r=(1+a)2(1+b)/(1+i/100)（10）式中,Ctott为每千瓦损耗引起的运行费用，已折算成采购日的现值;a为负荷年增长率，%;b为能源成本年增长率（不包括通货膨胀的影响），%。有的国外资料中取b=2%。为简单起