發電機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計中應用越來越廣泛。對發電機出口斷路器技術性能進行了分析，對發電機型斷路器型式選擇方法進行了研究，并對設計中的注意的事項進行了闡述。

關鍵詞：出口斷路器；發電機；選擇

1 概述

根據《火力發電廠設計技術規程》相關規定：一般情況下發電機出口是不宜或不應加裝出口斷路器的,只有當技術經濟合理或機組主接線設計為擴大單元或兩組發電機雙繞組變壓器作聯合單元連接等情況時才會加裝出口斷路器。但是,近幾年的電廠設計中,在進行電廠技術經濟合理性比較的基礎上, 出口斷路器在電廠設計中應用越來越廣泛。

2 出口斷路器優勢分析

在技術上加裝發電機出口斷路器可提高機組的安全運行可靠性,具有以下幾點。

2.1 提高發電機和變壓器保護水平,縮小故障范圍當出現發電機內部故障時,發電機出口因加裝了出口斷路器,可以快速的將發電機從系統中切除,而廠用分支電源因發電機的安全切除而不受任何影響,進而在事故狀態下保證機組的安全停機。

2.2 保證系統故障時廠用電源的穩定性

按常規方式,在系統發生振蕩時,廠用電系統事故切換很難成功,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,發電機滅磁,維持轉速,廠用電不受影響,避免因系統振蕩引起的長時間停機事故,縮短因系統故障的事故處理時間和簡化處理程序。

2.3 簡化廠用電切換程序

當發電機出口裝設斷路器后,發電機組起、停的廠用電源是通過主變壓器倒送電經廠用高壓工作變壓器獲得,從機組起動直到發電機并網帶負荷,反之從發電機減負荷到發電機解列停機,整個過程都無須進行廠用電切換操作。既保證了機組的安全可靠運行,又可以省去一系列相關設施及費用,在電廠投資上不會因為增加出口斷路器而對投資方案的經濟性有太大的影響,而且從長期運行經濟性來說更是十分可觀的。

2.4 發電機型斷路器技術性能分析

發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（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，是前者對某些技術性能的技術參數要求要苛刻得多。因為發電機的電感值較系統相對要大，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均大得多。GB/T14824-1993中規定：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45ms要大。

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

3 發電機型斷路器選擇內容與方法

依據當前國際通用的ANSI/IEEEC37-013“以對稱電流為基礎的交流高壓發電機斷路器標準”規定，對發電型斷路器型式試驗考核內容主要是：系統源短路的開斷與關合、發電機源短路開斷和失步開斷與關合，其他的型式試驗考核與通用型斷路器內容基本相同。

3.1 系統源短路的開斷與關合試驗

發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；瞬態恢復電壓（峰值）為1.7倍發電機最高工作電壓；瞬態恢復電壓的上升率為3.5kV/μs；關合試驗按2.74倍額定短路電流（峰值）合并進行的。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%;瞬態恢復電壓（峰值）為1.71倍額定工作電壓；瞬態恢復電壓上升率為0.34 kV/μs；關合試驗是按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≥60%ms時，則不必進行非對稱開斷試驗。

3.2 發電機源短路的開斷試驗

發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。

3.3 失步開斷與關合試驗

發電機型斷路器失步開斷與關合試驗是在合、分條件進行的。外施電壓和首相開斷工頻恢復電壓為1.22倍發電機最高電壓；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；瞬態恢復電壓峰值為2.5倍發電機最高電壓；瞬態恢復電壓上升率為3.3kV/μs；關合試驗按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。國外西門子公司在進行此項試驗時的直流分量（DC%）為120%。通用型斷路器的合、分失步開斷與關合試驗，外施電壓和首相開斷工頻恢復電壓為1.44倍系統最高電壓；開斷電流為25%的交流分量有效值；直流分量（DC%）＜20%；瞬態恢復電壓峰值為2.55倍額定工作電壓；瞬態恢復電壓上升為0.26kV／μs；而對關合電流不作規定。

4 發電機出口斷路器設計的思考

在發電機型斷路器未進行開發研究之前，由于沒有專門的發電機保護斷路器，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電機回路作為保護設備。而如今，國外ABB公司、西門子公司、三菱公司和CE公司都可以提供發電機出口斷路器，開斷短路電流能力有63kA、72kA、100kA和120kA。國內北開和沈高的開斷電流為80kA的發電機斷路器也已通過了型式試驗。

4.1 重視中小容量發電機保護斷路器的設計應用

發電機保護斷路器根據電廠接入系統方式、在電力系統中的作用、可靠性數值計算等，選型作為發電機保護回路主要保護電氣設備，所以，正確設計選擇發電機保護斷路器直接關系著發電廠后期的電氣設備合理投資、運行、維護簡單方便、保證發電廠長期安全經濟運行，事關重大，故應予以認真對待。

4.2 避免發電機保護斷路器設計選型的誤區

早期在發電機型斷路器標準未實施之前，因為沒有專門的發電機保護斷路器產品，人們對于發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，就可以應用于發電機回路。

4.3 充分考慮系統的其他參數

充分考慮系統的動穩定，時間常數，瞬態恢復電壓、失步開斷電流和關合電流等其他參數。

例如，在選擇某機組發電機斷路器時，計算得出，在發電廠三電車間10kV母線最大運行方式下，發電機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（計及各直饋線大電機反饋電流）178kA。現有開斷能力為63kA的發電機斷路器，開斷電流直流分量為64kA，而短路耐受電流峰值為176kA，滿足不了動穩定的要求，因此選用了西門子公司的短路開斷電流為72kA的直空斷路器。其主要指標為：額定電流為4000A，額定開斷電流（周期分量）72kA，直流分量為75%.，短時耐受電流峰值為200kA。瞬態恢復電壓（峰值）33kA；瞬態恢復電壓的上升率為4.7kA/μS，完全滿足系統要求。

4.4 精心設計、合理配置，確保發電機保護斷路器可靠運行

發電機是發電廠的主機，而作為保護主機的斷路器是保證發電機安全可靠運行的基礎，為重中之重。熟悉掌握發電機保護斷路器各種技術參數和功能，對于能夠量化的技術參數，如額定工作電流、短路開斷電流、直流分量（DC％）、最大關合電流等，設計中必須進行認真準確地計算；對于隨機性的一些技術參數，如瞬態恢復電壓峰值、上升率、時間常數、截流值等，盡可能地進行各種條件下的計算分析比較。根據已具備的設計數據，合理選擇斷路器的技術參數配置，確保發電機保護斷路器長周期的、可靠、安全、經濟運行水平。

參考文獻

[1]西北電力設計院.電力工程電氣設計手冊電氣一次部分[M].北京:水利電力出版社,1991.

[2]火力發電廠設計技術規程DL 5000-2000[S].北京:中國電力出版社,2000.

[3]電力工程師手冊.電氣卷/東北電力集團公司編[M].北京:中國電力出版社,2000.

作者簡介：呂珍梅 （1965，3-）、女、漢族、大學本科學歷，工程師，從1986年起長期從事開關電器設計研究工作。

李建軍（1966，2-）男、漢族、大學本科學歷，工程師，從1988年開始長期從事技術工藝工作。