發(fā)電機(jī)出口斷路器性能分析與選擇

呂珍梅　李建軍　金乙翔

摘要：出口斷路器在電廠設(shè)計(jì)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。對(duì)發(fā)電機(jī)出口斷路器技術(shù)性能進(jìn)行了分析，對(duì)發(fā)電機(jī)型斷路器型式選擇方法進(jìn)行了研究，并對(duì)設(shè)計(jì)中的注意的事項(xiàng)進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：出口斷路器；發(fā)電機(jī)；選擇

1 概述

根據(jù)《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定：一般情況下發(fā)電機(jī)出口是不宜或不應(yīng)加裝出口斷路器的,只有當(dāng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理或機(jī)組主接線設(shè)計(jì)為擴(kuò)大單元或兩組發(fā)電機(jī)雙繞組變壓器作聯(lián)合單元連接等情況時(shí)才會(huì)加裝出口斷路器。但是,近幾年的電廠設(shè)計(jì)中,在進(jìn)行電廠技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性比較的基礎(chǔ)上, 出口斷路器在電廠設(shè)計(jì)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

2 出口斷路器優(yōu)勢(shì)分析

在技術(shù)上加裝發(fā)電機(jī)出口斷路器可提高機(jī)組的安全運(yùn)行可靠性,具有以下幾點(diǎn)。

2.1 提高發(fā)電機(jī)和變壓器保護(hù)水平,縮小故障范圍當(dāng)出現(xiàn)發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障時(shí),發(fā)電機(jī)出口因加裝了出口斷路器,可以快速的將發(fā)電機(jī)從系統(tǒng)中切除,而廠用分支電源因發(fā)電機(jī)的安全切除而不受任何影響,進(jìn)而在事故狀態(tài)下保證機(jī)組的安全停機(jī)。

2.2 保證系統(tǒng)故障時(shí)廠用電源的穩(wěn)定性

按常規(guī)方式,在系統(tǒng)發(fā)生振蕩時(shí),廠用電系統(tǒng)事故切換很難成功,廠用電源容易失去,事后處理比較困難。如采用出口斷路器方案, 出口斷路器跳閘,發(fā)電機(jī)滅磁,維持轉(zhuǎn)速,廠用電不受影響,避免因系統(tǒng)振蕩引起的長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)事故,縮短因系統(tǒng)故障的事故處理時(shí)間和簡(jiǎn)化處理程序。

2.3 簡(jiǎn)化廠用電切換程序

當(dāng)發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)斷路器后,發(fā)電機(jī)組起、停的廠用電源是通過(guò)主變壓器倒送電經(jīng)廠用高壓工作變壓器獲得,從機(jī)組起動(dòng)直到發(fā)電機(jī)并網(wǎng)帶負(fù)荷,反之從發(fā)電機(jī)減負(fù)荷到發(fā)電機(jī)解列停機(jī),整個(gè)過(guò)程都無(wú)須進(jìn)行廠用電切換操作。既保證了機(jī)組的安全可靠運(yùn)行,又可以省去一系列相關(guān)設(shè)施及費(fèi)用,在電廠投資上不會(huì)因?yàn)樵黾映隹跀嗦菲鞫鴮?duì)投資方案的經(jīng)濟(jì)性有太大的影響,而且從長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性來(lái)說(shuō)更是十分可觀的。

2.4 發(fā)電機(jī)型斷路器技術(shù)性能分析

發(fā)電機(jī)型斷路器與通用型斷路器在機(jī)械特性、絕緣特性和電氣特性的表述方式上基本相同。

如對(duì)短路開(kāi)斷電流均以交流分量有效值和直流分量百分?jǐn)?shù)（DC%）表示；絕緣性能均以工頻和雷電沖擊耐壓水平考核；機(jī)械特性考核項(xiàng)目等也基本相同。

發(fā)電機(jī)型斷路器與通用型斷路器的不同之處，是前者對(duì)某些技術(shù)性能的技術(shù)參數(shù)要求要苛刻得多。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)的電感值較系統(tǒng)相對(duì)要大，作為保護(hù)斷路器在瞬間所承受的直流分量和衰減時(shí)間常數(shù)均大得多。GB/T14824-1993中規(guī)定：在斷路器分閘時(shí)間加0.01s時(shí)，直流分量（DC%）約為68%，衰減時(shí)間常數(shù)為60ms，顯然較通用型斷路器的直流分量DC%≤20%和衰減時(shí)間常數(shù)45ms要大。

通過(guò)比較可以看出，發(fā)電機(jī)型斷路器較通用型斷路器開(kāi)斷、關(guān)合條件均要苛刻，型式試驗(yàn)的考核也相對(duì)嚴(yán)格得多。

3 發(fā)電機(jī)型斷路器選擇內(nèi)容與方法

依據(jù)當(dāng)前國(guó)際通用的ANSI/IEEEC37-013“以對(duì)稱電流為基礎(chǔ)的交流高壓發(fā)電機(jī)斷路器標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定，對(duì)發(fā)電型斷路器型式試驗(yàn)考核內(nèi)容主要是：系統(tǒng)源短路的開(kāi)斷與關(guān)合、發(fā)電機(jī)源短路開(kāi)斷和失步開(kāi)斷與關(guān)合，其他的型式試驗(yàn)考核與通用型斷路器內(nèi)容基本相同。

3.1 系統(tǒng)源短路的開(kāi)斷與關(guān)合試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)型斷路器是在非自動(dòng)重合閘操作順序下進(jìn)行。直流分量分DC%<20%及DC%>20%兩種條件；瞬態(tài)恢復(fù)電壓（峰值）為1.7倍發(fā)電機(jī)最高工作電壓；瞬態(tài)恢復(fù)電壓的上升率為3.5kV/μs；關(guān)合試驗(yàn)按2.74倍額定短路電流（峰值）合并進(jìn)行的。西門子公司在進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)，直流分量（DC%）均按75%額定短路電流考核。

通用型斷路器一般都是在自動(dòng)重合閘操作順序下進(jìn)行的。直流分量（DC%）<20%;瞬態(tài)恢復(fù)電壓（峰值）為1.71倍額定工作電壓；瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升率為0.34 kV/μs；關(guān)合試驗(yàn)是按2.5倍額定短路電流（峰值）與對(duì)稱開(kāi)斷試驗(yàn)合并進(jìn)行。當(dāng)斷路器的分閘時(shí)間≥60%ms時(shí)，則不必進(jìn)行非對(duì)稱開(kāi)斷試驗(yàn)。

3.2 發(fā)電機(jī)源短路的開(kāi)斷試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)源短路的開(kāi)斷試驗(yàn)條件則更為苛刻，該試驗(yàn)具有更高的直流分量。按照ANSI/IEEEC37-013標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：此值為DC%=130%。對(duì)于這一試驗(yàn)考核，通用型斷路器則是無(wú)法勝任的。

3.3 失步開(kāi)斷與關(guān)合試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)型斷路器失步開(kāi)斷與關(guān)合試驗(yàn)是在合、分條件進(jìn)行的。外施電壓和首相開(kāi)斷工頻恢復(fù)電壓為1.22倍發(fā)電機(jī)最高電壓；開(kāi)斷電流為50%的交流分量有效值；直流分量（DC%）分<20%和≥50%兩種條件；瞬態(tài)恢復(fù)電壓峰值為2.5倍發(fā)電機(jī)最高電壓；瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升率為3.3kV/μs；關(guān)合試驗(yàn)按2.5倍對(duì)稱開(kāi)斷電流交流分量值（峰值）與開(kāi)斷試驗(yàn)合并進(jìn)行。國(guó)外西門子公司在進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)的直流分量（DC%）為120%。通用型斷路器的合、分失步開(kāi)斷與關(guān)合試驗(yàn)，外施電壓和首相開(kāi)斷工頻恢復(fù)電壓為1.44倍系統(tǒng)最高電壓；開(kāi)斷電流為25%的交流分量有效值；直流分量（DC%）＜20%；瞬態(tài)恢復(fù)電壓峰值為2.55倍額定工作電壓；瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升為0.26kV／μs；而對(duì)關(guān)合電流不作規(guī)定。

4 發(fā)電機(jī)出口斷路器設(shè)計(jì)的思考

在發(fā)電機(jī)型斷路器未進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究之前，由于沒(méi)有專門的發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器，設(shè)計(jì)選型只能是選擇額定電流大、短路開(kāi)斷電流大和直流分量大的斷路器用于發(fā)電機(jī)回路作為保護(hù)設(shè)備。而如今，國(guó)外ABB公司、西門子公司、三菱公司和CE公司都可以提供發(fā)電機(jī)出口斷路器，開(kāi)斷短路電流能力有63kA、72kA、100kA和120kA。國(guó)內(nèi)北開(kāi)和沈高的開(kāi)斷電流為80kA的發(fā)電機(jī)斷路器也已通過(guò)了型式試驗(yàn)。

4.1 重視中小容量發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器的設(shè)計(jì)應(yīng)用

發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器根據(jù)電廠接入系統(tǒng)方式、在電力系統(tǒng)中的作用、可靠性數(shù)值計(jì)算等，選型作為發(fā)電機(jī)保護(hù)回路主要保護(hù)電氣設(shè)備，所以，正確設(shè)計(jì)選擇發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器直接關(guān)系著發(fā)電廠后期的電氣設(shè)備合理投資、運(yùn)行、維護(hù)簡(jiǎn)單方便、保證發(fā)電廠長(zhǎng)期安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，事關(guān)重大，故應(yīng)予以認(rèn)真對(duì)待。

4.2 避免發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器設(shè)計(jì)選型的誤區(qū)

早期在發(fā)電機(jī)型斷路器標(biāo)準(zhǔn)未實(shí)施之前，因?yàn)闆](méi)有專門的發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器產(chǎn)品，人們對(duì)于發(fā)電機(jī)斷路器設(shè)計(jì)選型，只是考慮額定電流、短路開(kāi)斷電流和直流分量較大，就可以應(yīng)用于發(fā)電機(jī)回路。

4.3 充分考慮系統(tǒng)的其他參數(shù)

充分考慮系統(tǒng)的動(dòng)穩(wěn)定，時(shí)間常數(shù)，瞬態(tài)恢復(fù)電壓、失步開(kāi)斷電流和關(guān)合電流等其他參數(shù)。

例如，在選擇某機(jī)組發(fā)電機(jī)斷路器時(shí)，計(jì)算得出，在發(fā)電廠三電車間10kV母線最大運(yùn)行方式下，發(fā)電機(jī)出口短路電流周期分量為57.9kA，直流分量為35.7kA，短路沖擊是電流（計(jì)及各直饋線大電機(jī)反饋電流）178kA?，F(xiàn)有開(kāi)斷能力為63kA的發(fā)電機(jī)斷路器，開(kāi)斷電流直流分量為64kA，而短路耐受電流峰值為176kA，滿足不了動(dòng)穩(wěn)定的要求，因此選用了西門子公司的短路開(kāi)斷電流為72kA的直空斷路器。其主要指標(biāo)為：額定電流為4000A，額定開(kāi)斷電流（周期分量）72kA，直流分量為75%.，短時(shí)耐受電流峰值為200kA。瞬態(tài)恢復(fù)電壓（峰值）33kA；瞬態(tài)恢復(fù)電壓的上升率為4.7kA/μS，完全滿足系統(tǒng)要求。

4.4 精心設(shè)計(jì)、合理配置，確保發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器可靠運(yùn)行

發(fā)電機(jī)是發(fā)電廠的主機(jī)，而作為保護(hù)主機(jī)的斷路器是保證發(fā)電機(jī)安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)，為重中之重。熟悉掌握發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器各種技術(shù)參數(shù)和功能，對(duì)于能夠量化的技術(shù)參數(shù)，如額定工作電流、短路開(kāi)斷電流、直流分量（DC％）、最大關(guān)合電流等，設(shè)計(jì)中必須進(jìn)行認(rèn)真準(zhǔn)確地計(jì)算；對(duì)于隨機(jī)性的一些技術(shù)參數(shù)，如瞬態(tài)恢復(fù)電壓峰值、上升率、時(shí)間常數(shù)、截流值等，盡可能地進(jìn)行各種條件下的計(jì)算分析比較。根據(jù)已具備的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，合理選擇斷路器的技術(shù)參數(shù)配置，確保發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器長(zhǎng)周期的、可靠、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：呂珍梅 （1965，3-）、女、漢族、大學(xué)本科學(xué)歷，工程師，從1986年起長(zhǎng)期從事開(kāi)關(guān)電器設(shè)計(jì)研究工作。

李建軍（1966，2-）男、漢族、大學(xué)本科學(xué)歷，工程師，從1988年開(kāi)始長(zhǎng)期從事技術(shù)工藝工作。