基于快速真空斷路器技術(shù)的發(fā)電機出口斷路器裝置

劉錦輝，虞江華，黃辰辰，白雨桐

(1.安徽徽電科技股份有限公司，安徽 合肥 230000;2.寧夏鐵發(fā)人力資源總公司，寧夏 銀川 750011)

近年來，我國經(jīng)濟建設(shè)高速增長，各行業(yè)對電力的需求旺盛，需要大量的發(fā)電機組接入電網(wǎng)，但由于歷史原因和設(shè)計規(guī)程的制約，大容量發(fā)電機只能以發(fā)電機-變壓器組的單元制接線方式運行，給正常的運行操作帶來諸多不便。發(fā)電機-變壓器組的單元制與電網(wǎng)之間切換頻繁易產(chǎn)生安全隱患，在大容量發(fā)電機出口安裝專用斷路器，已成為保護發(fā)電機以及其他電力設(shè)備的主要措施[1]。

我國是世界上發(fā)電機出口斷路器(generator circuit-breaker，GCB)需求量最多的國家，但由于制造能力和技術(shù)水平的嚴重失調(diào)，目前還過度依賴進口，研發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的大容量GCB刻不容緩。

大型發(fā)電機因電感與電阻的比值大，即時間常數(shù)大，短路時直流分量(非周期分量)衰減慢，短路電流有數(shù)百毫秒也不通過零點的情況[2]，斷路器動作切斷短路故障時會產(chǎn)生異常的過電壓，電弧不易熄滅。為抑制內(nèi)部過電壓，需要嚴謹?shù)慕^緣配合技術(shù)。為了具有較好的滅弧性能，滅弧室必須采用先進的滅弧系統(tǒng)，確保斷路器的額定短路開斷電流[3]。

GCB一般額定電壓在18～28 kV，在此電壓等級下真空斷路器占據(jù)優(yōu)勢地位,由于真空斷路器在中壓電網(wǎng)的大量應(yīng)用，目前其技術(shù)成熟且價格低廉，在采取相應(yīng)的技術(shù)改進和適應(yīng)GCB特殊要求的技術(shù)攻關(guān)后，研制并應(yīng)用基于快速真空斷路器技術(shù)的發(fā)電機出口專用斷路器(GVFC)將成為較好地實現(xiàn)GCB全面國產(chǎn)化的技術(shù)路線。

1 GVFC系列發(fā)電機斷路器裝置介紹

1.1 功能簡介

GVFC系列真空并聯(lián)高速發(fā)電機斷路器是一種以單相VFC“渦流驅(qū)動”快速真空斷路器串聯(lián)均流電感為支路單元的，通過并聯(lián)形式組成的，內(nèi)置相控技術(shù)的大容量發(fā)電機出口開關(guān)組合電器。

GVFC具有以下特點：

(1)通過串聯(lián)均流電感，各并聯(lián)單元間均流系數(shù)高，不小于95%；

(2)采用“渦流驅(qū)動”永磁操動機構(gòu)，各并聯(lián)單元的分閘時間分散度小，不大于0.2 ms；

(3)具有選相(線)控制分閘功能，有效避免短路電流“失零”的矛盾；

(4)具有電流相(角)控制分閘功能，有效提高電流過零前滅弧室開距[4]。

1.2 GVFC工作原理

發(fā)電機出口斷路器裝置由VFC快速開關(guān)、電流互感器、控制器等元件組成，成套組裝于1臺開關(guān)柜內(nèi)。GVFC工作原理見圖1。

圖1 GVFC工作原理

1.3 工作原理特征

(1)系統(tǒng)正常運行時，快速開關(guān)處于合閘狀態(tài)。

(2)當本支路發(fā)生短路故障時，VFC快速開關(guān)快速分閘，可在20 ms內(nèi)將短路故障切除，將發(fā)電機組與系統(tǒng)分離。

(3)短路故障排除后，可由后臺或就地手動恢復(fù)發(fā)電機并網(wǎng)發(fā)電。

1.4 控制系統(tǒng)簡介

GVFC控制系統(tǒng)包括中繼控制器和3個分相控制器，其中中繼控制器裝在現(xiàn)場操作柜中，分相控制器分別內(nèi)置在各相換流器內(nèi)，如圖2所示。

圖2 GVFC控制系統(tǒng)

分相控制器獨立控制各相斷路器單元，中繼控制器通過光纖與各分相控制器聯(lián)絡(luò)，顯示各相斷路器狀態(tài)信息并可維護定值，還提供數(shù)據(jù)接口和信號節(jié)點與中控室計算機管理系統(tǒng)通信。

1.5 工作邏輯

(1)正常運行期間

GVFC處于合閘位，斷路器承載線路工作電流。

(2)線路發(fā)生短路故障時

當且僅當分相控制器通過羅克CT信號檢出了超過GVFC啟動定值的短路電流時命令GVFC及時分閘，切斷故障電流，保護發(fā)電機。

(3)短路故障排除情況

當確定短路故障排除以后，控制器發(fā)出合閘信號，對斷路器進行合閘操作，實現(xiàn)發(fā)電機故障排除之后的重新并網(wǎng)。

1.6 核心元件 — VFC“渦流驅(qū)動”快速斷路器

圖3為VFC開關(guān)“渦流驅(qū)動”機構(gòu)和電路原理。

圖3 VFC快速斷路器斥力驅(qū)動機構(gòu)(合閘位)及電路原理

2 GVFC技術(shù)性能分析

2.1 GVFC標準

VFC快速斷路器符合GB 1984-2003[5]、JB/T 3855-2008[6]以及其他相關(guān)標準。該快速斷路器通過了以下各種試驗，可保證在正常安裝條件下安全可靠地工作。

(1)型式試驗。

溫升、機械特性和操作(1萬次)、工頻耐壓、雷電沖擊耐壓、震蕩波抗擾度、電快速瞬變脈動群抗擾度、沖擊電壓、開斷關(guān)合能力試驗前后機械特性、短時耐受電流和峰值耐受電流、出線端短路開斷試驗、異相接地故障開斷能力試驗。

(2)性能試驗。

VFC-12/1600-40的型式試驗試品完成40 kA合分CO100次后，未經(jīng)檢修，繼續(xù)進行80 kA電燒損及開斷CO20次的開斷能力試驗、VFC- 12/5 000-80試品80 kA下CO 100次開斷能力試驗。

(3)出廠試驗。

主回路工頻耐壓試驗、輔助和控制回路絕緣性能、主回路電阻測量、1:1模擬現(xiàn)場最大短路電流開斷試驗。

2.2 指標特點及行業(yè)同類對比

VFC快速斷路器采用了“渦流驅(qū)動”的直動式機構(gòu)，性能指標明顯優(yōu)于其他類型的真空斷路器，見表1。

表1 VFC系列快速斷路器關(guān)鍵參數(shù)同類對比

2.3 “渦流驅(qū)動”快速真空斷路器的并聯(lián)技術(shù)

2.3.1 額定工況下并聯(lián)支路的均流

并聯(lián)結(jié)構(gòu)中，每極阻抗若以滅弧室接觸電阻為主，即使小到10～5 Ω數(shù)量級，但其分散度也會達到50%以上，不利于各極之間均流，因此，應(yīng)在各極支路中增加均流電感，以淹沒直流阻抗的分散度，將極間阻抗分散度降低，在提高均流系數(shù)的同時，并不增加并聯(lián)支路的有功損耗，確保并聯(lián)各極可靠運行。

2.3.2 分閘時機的相角控制技術(shù)是并聯(lián)開斷大電流的技術(shù)保障

并聯(lián)開斷失敗的原因是隨機性的分閘命令造成末開極開距不充分而重燃，因此，應(yīng)在合理的分閘時機范圍內(nèi)發(fā)出分閘指令，確保末開極電流過零時的充分開距，達到由多極共同分擔(dān)開斷大電流的目的。

2.3.3 并聯(lián)方式分類

(1)多臺三相開關(guān)并聯(lián)

這種組合電器為多臺三相開關(guān)通過導(dǎo)線實現(xiàn)各相并聯(lián)聯(lián)接，適合大額定電流且小開斷電流需求的場合，并聯(lián)目的旨在解決額定電流的分擔(dān)，因此，并聯(lián)時，需要著重控制均流電感即可。

(2)各相多滅弧室并聯(lián)

這種并聯(lián)方式根據(jù)操動機構(gòu)的設(shè)置，可分為單相單機構(gòu)并聯(lián)和單相多機構(gòu)并聯(lián)方式。

①每相單機構(gòu)。此種并聯(lián)方式適用三極或兩極并聯(lián)，可沿用目前成熟的斷路器操動機構(gòu)，將VFC真空斷路器的滅弧室并聯(lián)作為并聯(lián)斷路器的一相，并聯(lián)滅弧室之間的同期性由機械結(jié)構(gòu)保障，三相需要分別操動，實現(xiàn)三相合閘的同期性要求。

②每相多機構(gòu)。此種并聯(lián)方式以1只滅弧室配1套操動機構(gòu)為1個斷路器基本單元，實現(xiàn)三相多極并聯(lián)，適用三極以上的并聯(lián)方式，可針對大額定電流和大開斷電流進行任意組合，對操動機構(gòu)的固有動作時間分散度和控制精度即相控技術(shù)的要求較高。

2.4 分相控制器

斷路器在開斷三相短路故障時，電流首先過零的一相稱之為首開相。開斷三相短路故障的關(guān)鍵在于首開相，首開相順利熄弧，其他兩相均能順利熄弧，但燃弧時間比首開相時間長，會產(chǎn)生燒損嚴重情況，因此，三相選相(選首開相別、選開斷相角)開斷，可順利完成故障電流的開斷，也可減少真空開關(guān)的燒損。

分相控制器通過特殊算法，對短路電流信號進行處理，可在2 ms左右計算出短路電流的周期分量、非周期分量、短路周期角，迅速判斷出首開相的相別，并結(jié)合斷路器的機械故有分閘時間做出適當?shù)难訒r，控制斷路器在短路電流過零前分閘。

2.5 GVFC開關(guān)技術(shù)優(yōu)勢對比

表2 GVFC開關(guān)技術(shù)優(yōu)勢對比

2.6 單套GVFC發(fā)電機出口斷路器裝置主要配置

表3 單套GVFC發(fā)電機出口斷路器裝置主要配置

3 GVFC改造實施方案

(1)原系統(tǒng)方案

圖4 原系統(tǒng)方案

(2)改造后系統(tǒng)方案

圖5 改造后系統(tǒng)方案

保留現(xiàn)有柜體結(jié)構(gòu)型式，僅將原安裝普通彈簧儲能式真空斷路器的并網(wǎng)柜更換為發(fā)電機出口專用斷路器柜；新增發(fā)電機專用微機保護，安裝在發(fā)電機出口專用斷路器柜內(nèi)。項目實施過程中涉及拼柜及母線連接等相關(guān)問題需后期用戶盡量提供原開關(guān)柜廠相關(guān)圖紙。

4 結(jié) 論

綜上所述，GVFC發(fā)電機出口斷路器克服了傳統(tǒng)斷路器遇到系統(tǒng)故障期間無法立刻切斷故障的難點，在大型發(fā)電機組應(yīng)用方面技術(shù)優(yōu)勢明顯。方便機組調(diào)試和維護；降低廠用電切換風(fēng)險，減少事故的發(fā)生，提升用電可靠性；簡化繼電保護接線，縮短故障恢復(fù)時間，減少對設(shè)備的損耗，提高機組效率等，因此被越來越多的電廠采用。GVFC發(fā)電機出口斷路器裝置已具有成熟的運行經(jīng)驗，可滿足系統(tǒng)安全可靠的運行要求，更好地匹配高速發(fā)展的電力事業(yè)。