中小型水電站發(fā)電機保護斷路器設計選型的思考

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摘要：通常，人們習慣地對單機容量100MVA及以下的發(fā)電機組稱為中小型發(fā)電機。鑒于我國能源綜合利用開發(fā)的基本國策，自西部大開發(fā)以來，特別在西南地區(qū)，中小型水力發(fā)電機組建設拔地而起，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也已具備了一定的規(guī)模，隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展，對于中小型水力發(fā)電機保護斷路器的設計選型，改變以往使用通用型斷路器為發(fā)電機型斷路器的傳統(tǒng)，已是大勢所趨。

　　關(guān)鍵詞：斷路器；水電站；發(fā)電機

　　1、發(fā)電機型斷路器與通用型斷路器的技術(shù)性能比較

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

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

　　發(fā)電機型斷路器與通用型斷路器的不同之處，是前者對某些技術(shù)性能的技術(shù)參數(shù)要求要苛刻得多。因為發(fā)電機的電感值較系統(tǒng)相對要大，作為保護斷路器在瞬間所承受的直流分量和衰減時間常數(shù)均大得多。GB/T14824-1993中規(guī)定：在斷路器分閘時間加0.01s時，直流分量（DC%）約為68%，衰減時間常數(shù)為60ms，顯然較通用型斷路器的直流分量DC%≤20%和衰減時間常數(shù)45ms要大；同時，額定短路關(guān)合電流也不相同，發(fā)電機型斷路器因為直流分量較大，額定短路關(guān)合電流（峰值）為額定短路電流的2.74倍，而通用型斷路器此值僅為2.5倍；在表述方式上，發(fā)電機型斷路器的銘牌除標有額定短路電流值外，同時還注明有直流分量（DC%）值，而通用型斷路器則僅標有額定短路電流值。

　　通過比較可以看出，發(fā)電機型斷路器較通用型斷路器開斷、關(guān)合條件均要苛刻，型式試驗的考核也相對嚴格得多。

　　2、發(fā)電機型斷路器的主要型式試驗考核內(nèi)容

　　依據(jù)當前國際通用的ANSI/IEEEC37-013以對稱電流為基礎(chǔ)的交流高壓發(fā)電機斷路器標準規(guī)定，對發(fā)電型斷路器型式試驗考核內(nèi)容主要是：系統(tǒng)源短路的開斷與關(guān)合、發(fā)電機源短路開斷和失步開斷與關(guān)合。其它的型式試驗考核與通用型斷路器內(nèi)容基本相同。

　?。?）系統(tǒng)源短路的開斷與關(guān)合試驗。發(fā)電機型斷路器是在非自動重合閘操作順序下進行。直流分量分DC%<20%及DC%>20%兩種條件；瞬態(tài)恢復電壓（峰值）為1.7倍發(fā)電機最高工作電壓；瞬態(tài)恢復電壓的上升率為3.5kV/μs；關(guān)合試驗按2.74倍額定短路電流（峰值）合并進行的。國外西屋和西門子公司在進行此項試驗時，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重合閘操作順序下進行的。直流分量（DC%）<20%；瞬態(tài)恢復電壓（峰值）為1.71倍額定工作電壓；瞬態(tài)恢復電壓上升率為0.34kV/μs；關(guān)合試驗是按2.5倍額定短路電流（峰值）與對稱開斷試驗合并進行。當斷路器的分閘時間≥60ms時，則不必進行非對稱開斷試驗。

　　上述兩種類型斷路器的試驗考核，均相當于三相試驗時首開相或者單相試驗時的條件。相比之下，即便是開斷電流的數(shù)值相同，而發(fā)電機型斷路器則是在高直流分量和瞬態(tài)恢復電壓下進行開斷，開斷條件較通用型斷路器苛刻得多。

　?。?）發(fā)電機源短路的開斷試驗。

　　發(fā)電機源短路的開斷試驗條件則更為苛刻，該試驗具有更高的直流分量。按照ANSI/IEEEC37-013標準規(guī)定：此值為DC%=130%.對于這一試驗考核，通用型斷路器則是無法勝任的。

　?。?）失步開斷與關(guān)合試驗。

　　發(fā)電機型斷路器失步開斷與關(guān)合試驗是在合、分條件下進行的。外施電壓和首相開斷工頻恢復電壓為1.22倍發(fā)電機最高電壓；開斷電流為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)恢復電壓峰值為2.5倍發(fā)電機最高電壓；瞬態(tài)恢復電壓上升率為3.3kV/μs；關(guān)合試驗按2.5倍對稱開斷電流交流分量值（峰值）與開斷試驗合并進行；國外西屋公司在進行此項試驗時的直流分量（DC%）為80%；西門子公司為120%.

　　通用型斷路器的合、分失步開斷與關(guān)合試驗，外施電壓和首相開斷工頻恢復電壓為1.44倍系統(tǒng)最高電壓；開斷電流為25%的交流分量有效值；直流分量（DC%）<20%；瞬態(tài)恢復電壓峰值為2.55倍額定工作電壓；瞬態(tài)恢復電壓上升率為0.26kV/μs；而對關(guān)合電流不作規(guī)定。

　　我國國家標準GB1984規(guī)定：失步開斷僅適用于聯(lián)絡斷路器，對于通用型斷路器在10kV系統(tǒng)應用時，則不必進行失步開斷與關(guān)合此項試驗。該標準已被修訂，目前正在待批。相對比較，發(fā)電機型斷路器對失步開斷與關(guān)合試驗不僅要做，而且直流分量和瞬態(tài)恢復電壓值要大得多，這是通用型斷路器不可能替代的。

　　3、發(fā)電機型斷路器開發(fā)研究過程

　　在發(fā)電機型斷路器未進行開發(fā)研究之前，由于沒有專門的發(fā)電機保護斷路器，設計選型只能是選擇額定電流大、短路開斷電流大和直流分量大的斷路器用于發(fā)電機回路作為保護設備。

　　4、中小型水力發(fā)電機保護斷路器設計的思考

　?。?）重視中小容量水力發(fā)電機保護斷路器的設計應用。發(fā)電機保護斷路器根據(jù)電站接入系統(tǒng)方式、在電力系統(tǒng)中的作用、可靠性數(shù)值計算等，選型作為發(fā)電機保護回路主要保護電氣設備，所以，正確設計選擇發(fā)電機保護斷路器直接關(guān)系著水電站后期的電氣設備合理投資、運行維護簡單方便、保證水電站長周期安全經(jīng)濟運行，事關(guān)重大，故而應予以認真對待。

　?。?）避免發(fā)電機保護斷路器設計選型的誤區(qū)。早期在發(fā)電機型斷路器標準未實施之前，因為沒有專門的發(fā)電機保護斷路器產(chǎn)品，人們對于發(fā)電機斷路器設計選型，只是考慮額定電流、短路開斷電流和直流分量較大，就可以應用于發(fā)電機回路。我國過去常用于中小容量水電站的發(fā)電機保護斷路器主要是少油SN3-10型和SN4-10型，這些產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)比較簡單、技術(shù)落后、額定參數(shù)低、運行極不可靠、滿足不了當前發(fā)展中的中小型水力發(fā)電站的技術(shù)要求，逐步將被新型真空斷路器所取代。設計選型發(fā)電機保護斷路器時，除應滿足額定電流、短路開斷電流和直流分量的同時，必須充分考慮回路的時間常數(shù)，瞬態(tài)恢復電壓、失步開斷電流和關(guān)合電流等其它參數(shù)，避免忽視這一因素的誤區(qū)，擇優(yōu)選擇符合發(fā)電機斷路器標準的產(chǎn)品。

　?。?）關(guān)于真空斷路器的截流過電壓保護。真空斷路器以良好的開斷性能應用于發(fā)電機保護斷路器極為普遍。由于真空優(yōu)越的滅弧特性，往往在開斷過程中發(fā)生截流現(xiàn)象，因為截流引起的操作過電壓，則與斷路器的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)配置有關(guān)，而且具有一定的隨機性。國內(nèi)外許多真空滅弧室制造商，對于真空滅弧室限制截流值的技術(shù)措施進行了一系列研究，并且取得了一定的效果，西屋公司和西門子公司已確認該公司的真空斷路器截流值已降低至3A～5A.盡管如此，局限于產(chǎn)品制造的工藝水平和質(zhì)量保障體系的隨機性，相對于價格昂貴的水輪發(fā)電機而言，在發(fā)電機保護斷路器回路，仍應加裝過電壓保護裝置。

　?。?）精心設計，合理配置、確保發(fā)電機保護斷路器可靠運行。發(fā)電機是水力發(fā)電站的主機，而作為保護主機的斷路器則是保證發(fā)電機安全可靠運行的基礎(chǔ)，為重中之重。

　　熟悉掌握發(fā)電機保護斷路器各種技術(shù)參數(shù)和功能，對于能夠量化的技術(shù)參數(shù)，如額定工作電流、短路開斷電流、直流分量（DC%）、最大關(guān)合電流等，設計中必須進行認真準確地計算；對于隨機性的一些技術(shù)參數(shù)，如瞬態(tài)恢復電壓峰值、上升率、時間常數(shù)、截流值等，盡可能地進行各種條件下的計算分析比較。根據(jù)已具備的設計數(shù)據(jù)，合理選擇斷路器的技術(shù)參數(shù)配置，確保發(fā)電機保護斷路器長周期的可靠、安全、經(jīng)濟運行水平。

　　5、結(jié)束語

　　影響斷路器開斷能力的因素，除了電流大小和直流分量之外，恢復電壓峰值和上升率也是相當重要的。而對于發(fā)電機或者變壓器在保護斷路器開斷過程中恢復電壓峰值和上升率隨其容量的變化，至今仍難作出定量的規(guī)定。在中小型水力發(fā)電站設計中，當前仍應根據(jù)已經(jīng)執(zhí)行國家標準規(guī)定的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，合理配置發(fā)電機保護斷路器，應該是科學的、規(guī)范的、有益的最佳選擇。