淺談小型火電廠發(fā)電機斷路器設(shè)計選型

高文富 劉云飛 厲英濤

中材建設(shè)有限公司（10017 6）

0 概述

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。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。但發(fā)電機出口斷路器對某些技術(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)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。

1 發(fā)電機出口斷路器的直流分量的計算

在GB/T14824-1993中規(guī)定:在斷路器分閘時間加0.01 s時，直流分量(DC%)約為68%，衰減時間常數(shù)為133 ms,顯然較通用型斷路器的直流分量DC%≤20%和衰減時間常數(shù)45 ms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，同時還應注明有直流分量(DC%)值，而通用型斷路器則僅標有額定短路電流值。項目的直流分量的計算結(jié)果如圖1所示。

通過圖1的計算可以看出，發(fā)電機型斷路器較通用型斷路器開斷、關(guān)合條件均要求的直流分量要比一般斷路器的直流分量的值大得多。

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。

1）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3.5 kV/μs;關(guān)合試驗按2.74倍額定短路電流(峰值)合并進行的。

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0.34 kV/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≥60 ms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。

UCG項目我們選擇的是ABB公司VD4-12M類型的開關(guān)。ABB公司在進行此項試驗時，直流分量(DC%)均按83%額定短路電流為1.1倍測試。

項目所選擇的ABB開關(guān)測試報告內(nèi)容:

2）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。而UCG項目的直流分量的計算結(jié)果是DC%＝64%，因此我們選擇的開關(guān)為DC%＝80%，完全滿足技術(shù)要求。但是其值完全是不滿足ANSI/IEEEC37-013標準規(guī)定的。

3）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DC%＜20%和DC%≥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3.3 kV/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。

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0.26 kV/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(luò)斷路器，對于通用型斷路器在6.3 kV系統(tǒng)應用時，則不必進行失步開斷與關(guān)合試驗。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。

表1 項目中壓開關(guān)的選擇

3 發(fā)電機保護斷路器設(shè)計的注意事項

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(shè)備，所以，正確設(shè)計和選擇發(fā)電機保護斷路器直接關(guān)系著電站后期的電氣設(shè)備合理投資、運行維護簡單方便、保證電站長周期安全經(jīng)濟運行，事關(guān)重大，故而應予以認真對待。

斷路器設(shè)計選型容易產(chǎn)生的誤區(qū):

因為我們以前沒有針對專門的發(fā)電機保護斷路器選型，對于發(fā)電機斷路器設(shè)計選型，只是考慮額定電流、短路開斷電流等簡單的一些參數(shù)，就以為可以應用于發(fā)電機回路。這種選擇往往會帶領(lǐng)我們走進一些誤區(qū),設(shè)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。

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,ABB公司已確認該公司的真空斷路器截流值已降低至3～5 A。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。

4 精心設(shè)計，合理配置、確保發(fā)電機保護斷路器可靠運行

設(shè)計人員應該熟悉掌握發(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(shè)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(shè)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。