真空發(fā)電機(jī)出口斷路器及成套設(shè)備

芮祖存 任旭會(huì) 沈林沖 周富強(qiáng) 嚴(yán)俊

（1． 庫柏電子科技（上海）有限公司 2． 法騰電力科技有限公司3． 寧波耐吉新星自動(dòng)化設(shè)備有限公司 4． 中安達(dá)電氣科技股份有限公司5． 國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司）

0 引言

隨著節(jié)能、環(huán)保要求的日益提高，天然氣、水力發(fā)電、聯(lián)合循環(huán)工廠等新能源發(fā)電越來越多，這些小型發(fā)電機(jī)的容量一般小于100MVA，額定電流在5000A及以下。使用傳統(tǒng)的SF6發(fā)電機(jī)斷路器體積、重量、價(jià)格等不適用于小型發(fā)電機(jī)的要求，而一般配電真空斷路器并不能隨便用于發(fā)電機(jī)和升壓變保護(hù)。

1 發(fā)電機(jī)斷路器的標(biāo)準(zhǔn)及參數(shù)要求

1997年，IEEE制定了名為 C37.013—1997《交流高壓發(fā)電機(jī)斷路器的IEEE標(biāo)準(zhǔn)》的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)的目的是考慮發(fā)電機(jī)斷路器所需的嚴(yán)格操作能力下的參數(shù)。適用于中央電站發(fā)電機(jī)額定電流為6300A及以上，通常是帶有液壓操作器固定安裝的SF6絕緣斷路器。近年來，越來越多的小型發(fā)電機(jī)被使用，額定電流范圍在1200A～6000A之間。大型發(fā)電機(jī)所需的許多相同的嚴(yán)格耐受參數(shù)，也適用于小型發(fā)電機(jī)，IEEE一直在準(zhǔn)備C37.013的補(bǔ)充，特別是針對(duì)100MVA范圍的小型發(fā)電機(jī)的斷路器。IEC和IEEE在2015年聯(lián)合發(fā)布了IEC/IEEE 62271-37-013交流發(fā)電機(jī)斷路器標(biāo)準(zhǔn), 該標(biāo)準(zhǔn)是IEC 62271的一部分，適用于室內(nèi)或室外安裝，額定電壓1～38kV，額定頻率50Hz和60Hz，安裝在額定值為10MVA及以上的發(fā)電機(jī)與升壓變之間的發(fā)電機(jī)斷路器。發(fā)電機(jī)額定小于10MVA的回路和抽水蓄能裝置被認(rèn)為是特殊的，應(yīng)用程序及其要求未完全包含在該標(biāo)準(zhǔn)中。GB/T14824－2008標(biāo)準(zhǔn)是采用IEEE C37.013:1997標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全面修訂的，適用于安裝在發(fā)電機(jī)和升壓變之間所有的高壓交流發(fā)電機(jī)斷路器。

區(qū)別于一般配電斷路器，發(fā)電機(jī)斷路器主要有以下嚴(yán)格使用要求：

圖1 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)短路故障

1）系統(tǒng)源故障短路電流。參照?qǐng)D1的單線表示法，在安全開斷電源中的短路故障方面存在重要問題。配電電路斷路器通常無法處理的發(fā)電機(jī)電路。在系統(tǒng)源故障中，發(fā)電機(jī)斷路器必須開斷通常很高的系統(tǒng)源貢獻(xiàn)的短路電流，由于變壓器和連接母線的阻抗不受限制。斷路器不僅要開斷對(duì)稱短路電流，但通常很高的直流分量百分比會(huì)迫使產(chǎn)生更高的不對(duì)稱短路值。例如，假設(shè)直流分量為75%，使用公則50kA的對(duì)稱故障將導(dǎo)致70kA非對(duì)稱故障，發(fā)電機(jī)斷路器必須能夠安全開斷。

發(fā)電機(jī)源故障短路電流：由于系統(tǒng) “電流延遲過零”的效果，安全開斷故障電流的問題變得更加復(fù)雜，這是由于系統(tǒng)的X/R（電感與電阻）比率過高導(dǎo)致的，短路電流的不對(duì)稱分量超過100%。這種很高的直流分量的作用是導(dǎo)致第一個(gè)過零點(diǎn)被延遲幾個(gè)周期。由于斷路器是依靠電流過零點(diǎn)來開斷短路電流的，這種過零時(shí)間的延遲要求斷路器要足夠堅(jiān)固，以承受更長時(shí)間的電弧、電氣、機(jī)械和熱應(yīng)力作用在斷路器上的額外影響。

2）失步開斷、關(guān)合功能。斷路器還必須承受可能發(fā)生的失步開斷。同步性差，或者發(fā)電機(jī)和線路之間電壓和頻率的不同步時(shí)的意外閉合。

3）較高的絕緣能力。發(fā)電機(jī)電壓可能會(huì)發(fā)生變化，并且隨著斷路器的斷開而加速。這可能會(huì)在斷路器上施加高達(dá)額定電壓2.5倍的電壓。因此，C37.013要求額定電壓15～17.5kV發(fā)電機(jī)斷路器雷電沖擊電壓110kV，工頻額定50kV，比配電斷路器要求高，對(duì)于15kV及以下的發(fā)電機(jī)斷路器，則耐壓值相同。

4）瞬態(tài)恢復(fù)電壓（TRV）。在觸頭開斷的瞬間，整個(gè)滅弧室觸頭間隙的介電強(qiáng)度減小到最小，在整個(gè)觸頭間隙上產(chǎn)生的電壓高達(dá)線對(duì)線電壓的兩倍。這稱為瞬態(tài)恢復(fù)電壓。特別是對(duì)于發(fā)電機(jī)，此TRV在3.5～4.0 kV /μs的范圍內(nèi)會(huì)迅速出現(xiàn)峰值，發(fā)電機(jī)斷路器必須承受該TRV的上升速率，并嘗試在第一個(gè)電流過零時(shí)開斷電流。TRV的上升率以RRRV計(jì)量，配電斷路器的RRRV只有0.4～1 kV /μs。

2 典型真空發(fā)電機(jī)斷路器的試驗(yàn)參數(shù)

典型真空發(fā)電機(jī)斷路器的試驗(yàn)參數(shù)如下表所示。

表 典型真空發(fā)電機(jī)斷路器的試驗(yàn)參數(shù)

3 發(fā)電機(jī)真空斷路器開關(guān)柜的好處

發(fā)電機(jī)真空斷路器開關(guān)柜有如下好處：

（1）安全性

無需處理開關(guān)氣體，也不需要高、低氣壓的監(jiān)控，空氣作為絕緣介質(zhì)，始終可用符合IEC 62271-200的工廠組裝，經(jīng)過類型測(cè)試的開關(guān)柜；使用免維護(hù)，通過型式試驗(yàn)的真空斷路器，在額定電流下可運(yùn)行10000個(gè)操作循環(huán)；由于真空斷路器內(nèi)部的活動(dòng)部件數(shù)量少，因此真空斷路器的可靠性很高；具有高壓開關(guān)柜標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全要求：所有操作均關(guān)閉高壓門進(jìn)行，IAC A FLR的內(nèi)部電弧試驗(yàn)開關(guān)設(shè)備，抵抗內(nèi)部故障，通過管道集中泄壓，服務(wù)連續(xù)性類別LSC 2B，隔墻等級(jí)PM（抗壓設(shè)計(jì)的金屬覆層），標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)等級(jí)IP4X，邏輯機(jī)械聯(lián)鎖系統(tǒng)。

（2）環(huán)境友好性

開關(guān)設(shè)備和所有組件的使用壽命長（超過20年）；空氣作為絕緣介質(zhì)，對(duì)環(huán)境無害；真空開關(guān)技術(shù)，每隔幾年不充氣；切換電弧或內(nèi)部電弧時(shí)，無毒物分解產(chǎn)物；無需壓力監(jiān)測(cè)；所使用的材料無需特殊知識(shí)即可完全回收。

（3）靈活性

使用全球可用的標(biāo)準(zhǔn)組件，標(biāo)準(zhǔn)化電流、電壓互感器；低壓設(shè)備的靈活性（不同的隔室尺寸，可插拔的電線，可移動(dòng)的低壓艙）；可以在功率擴(kuò)容的情況下進(jìn)行改裝（附加電纜，新的互感器）沒有問題；模塊化設(shè)計(jì)，快速訪問提供的所有隔間，工廠組裝和測(cè)試，從而減少了安裝工作和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試抽出式設(shè)計(jì)，可快速更換斷路器，易于處置。

4 發(fā)電機(jī)真空斷路器開關(guān)柜應(yīng)用

典型一次方案圖如圖2所示，發(fā)電機(jī)斷路器兩側(cè)都裝有電壓互感器、接地開關(guān)、阻容吸收器，在靠近發(fā)電機(jī)一側(cè)，燃?xì)廨啓C(jī)等應(yīng)用要求增加一臺(tái)SFC靜態(tài)變頻啟動(dòng)出線柜，SFC把頻率可調(diào)的交變電流加到發(fā)電機(jī)定子上，使發(fā)電機(jī)變成電動(dòng)機(jī)動(dòng)起來帶動(dòng)同軸的燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)；在升壓變一側(cè)，有些需要輔助擴(kuò)展出線。

1）不同于SF6發(fā)電機(jī)斷路器自身配備兩側(cè)接地開關(guān)、電壓互感器、電流互感器、避雷器阻容吸收裝置等組成系統(tǒng)設(shè)備，真空斷路器安裝于金屬鎧裝開關(guān)柜內(nèi)，因此一次元器件、銅母排都安裝在金屬外殼里面，一般4000A及以下的發(fā)電機(jī)斷路器同普通配電斷路器尺寸相同，都采用中置式結(jié)構(gòu)，而大于4000A一般采用落地式結(jié)構(gòu)，還有采用隔離開關(guān)加固定式斷路器水平布置結(jié)構(gòu)。真空發(fā)電機(jī)開關(guān)柜按高壓開關(guān)柜的標(biāo)準(zhǔn)GB3906/IEC62271-200設(shè)計(jì)、考核。

2）一般主要由中間兩臺(tái)開關(guān)柜組成，如圖3所示。即左側(cè)作為發(fā)電機(jī)進(jìn)線斷路器柜，主要包括發(fā)電機(jī)側(cè)阻容吸收器、電壓互感器、接地開關(guān)；右側(cè)作為輔助出線柜，使升壓變側(cè)阻容吸收器、電壓互感器和接地開關(guān)；也有一些應(yīng)用只要求在斷路器一側(cè)安裝阻容吸收裝置和電壓互感器的，從而實(shí)現(xiàn)一臺(tái)開關(guān)柜上進(jìn)下出的設(shè)計(jì)； 如需要SFC和輔助電源出線的兩側(cè)還要各增加兩臺(tái)開關(guān)柜。

圖2 典型發(fā)電機(jī)斷路器開關(guān)柜一次系統(tǒng)圖

圖3 發(fā)電機(jī)真空斷路器開關(guān)柜布置

對(duì)于5000A以上的更多隔離開關(guān)加固定式斷路器水平布置結(jié)構(gòu)，如圖4所示，按單線圖依次布置元器件，屬于金屬封閉式開關(guān)柜結(jié)構(gòu)，沒有金屬板隔室分隔。這種結(jié)構(gòu)散熱條件好，有利于大電流溫升 ，同樣安裝維護(hù)方便。

圖4 發(fā)電機(jī)真空斷路器開關(guān)柜水平布置

圖5 車載發(fā)電機(jī)真空斷路器開關(guān)柜單線圖

3）車載發(fā)電機(jī)出口開關(guān)柜。以GE TM2500車載真空發(fā)電機(jī)斷路器開關(guān)柜為例，介紹車載發(fā)電機(jī)出口開關(guān)柜。由于應(yīng)用于發(fā)電機(jī)出口，直接與發(fā)電機(jī)相連，首先需要滿足系統(tǒng)要求，即選用50kA發(fā)電機(jī)出口斷路器作為主開關(guān)，兩側(cè)壓變、CT配備，還需要發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)CT及中性點(diǎn)接地變壓器；由于安裝在拖車上，因此需要重量輕，尺寸小；環(huán)境要求，戶外安裝，需要滿足NEMA 3R (IP24)要求；戶外使用，所有連密封，表面處理滿足ISO 12944C5 I/M，15年使用壽命要求；高低溫要求-39℃到55℃；車載運(yùn)輸，滿足震動(dòng)要求；快速反應(yīng)，需要快速插拔，一次電纜和二次控制系統(tǒng)；全球應(yīng)用，50/60Hz，轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇，配備具有關(guān)合能力的接地開關(guān)，產(chǎn)品及配套元器件需要滿足IEEE/IEC/GB標(biāo)準(zhǔn)，低壓連接箱CE認(rèn)證。

一次方案：斷路器發(fā)電機(jī)側(cè)配有電壓互感器、電流互感器、電容吸收器、避雷器、帶電顯示器及接地開關(guān)；斷路器線路側(cè)配有電流互感器、電壓互感器、帶電顯示器；發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)經(jīng)電流互感器到接地變壓器，接地電阻器實(shí)現(xiàn)高阻接地。車載發(fā)電機(jī)真空斷路器開關(guān)柜單線圖如圖5所示。

TM2500開關(guān)柜直接與發(fā)電機(jī)相連接，在發(fā)電機(jī)兩側(cè)，分別有線路側(cè)和中性點(diǎn)側(cè)邊柜，用于與發(fā)電機(jī)端子相連，線路側(cè)邊柜與母線橋、轉(zhuǎn)接柜連接到開關(guān)柜；開關(guān)柜由兩臺(tái)開關(guān)柜組成為一戶外箱，為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、重量要求，開關(guān)柜寬度按從2m減為1.8m，通過采用開關(guān)柜貼框架的型式設(shè)計(jì)防水戶外箱，采用低壓電流互感器等措施重量減少20%+，完全符合重量小于3t的要求；發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)邊柜安裝有4個(gè)2500/5的二次繞組電流互感器，采用環(huán)氧澆鑄塊狀型式電流互感器需要兩個(gè)，而采用4個(gè)穿心式低壓互感器則尺寸、重量大為減少，銅排經(jīng)穿心電流互感器后短接，電纜連接到輔助柜內(nèi)部的中性點(diǎn)變壓器，變壓器二次端連接到中性點(diǎn)電阻。

TM2500開關(guān)柜有一次電纜連接箱，每相可安裝4根500平方電纜，電纜密封采用ROXTEC密封件保證防護(hù)等級(jí)；低壓側(cè)則所有外部連接線連接到專用快速插拔箱內(nèi)，按電流、電壓等功能集中到快速插拔座內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)只需將插拔頭插入即實(shí)現(xiàn)連接。車載發(fā)電機(jī)真空斷路器開關(guān)柜布置示意圖如圖6所示。

燃?xì)獍l(fā)電，清潔、高效，而車載移動(dòng)發(fā)電更加靈活、迅速。

圖6 車載發(fā)電機(jī)真空斷路器開關(guān)柜布置示意圖

5 結(jié)束語

真空斷路器體積小，重量輕，用于小型發(fā)電機(jī)的出口保護(hù)可以靈活配置，現(xiàn)有發(fā)電機(jī)真空斷路器的最大額定電流可達(dá)6700A，開斷電流75kA，可用于最大到170MW的發(fā)電機(jī)；隨著真空開斷技術(shù)的不斷進(jìn)步，開斷電流越來越大的真空斷路器將研發(fā)出來，從而可以進(jìn)一步發(fā)揮發(fā)電機(jī)真空開關(guān)柜的安全性、環(huán)保性、靈活性等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于清潔能源、調(diào)峰電站等小型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)設(shè)備中；如車載燃?xì)獍l(fā)電具有靈活性、快速性，從運(yùn)輸?shù)焦╇娗昂髢H需兩周時(shí)間，而搭建一座傳統(tǒng)發(fā)電站并投運(yùn)則需要三到六個(gè)月，對(duì)于救急搶險(xiǎn)、災(zāi)后重建等臨時(shí)供電保證起到重要作用。針對(duì)不同發(fā)電機(jī)的應(yīng)用，有針對(duì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)開關(guān)柜解決方案，定制化設(shè)計(jì)，可以滿足客戶特殊需求。