6?500?MVA短路發電機系統保護斷路器選型討論

洪深++鄭占鋒++萬德春++汪海波++胡冠

摘 要：該文通過對6 500 MVA短路發電機系統的短路工況進行了仿真分析，提出了保護斷路器的性能參數要求；在充分比較市場現有產品的基礎上，提出了基于緊耦合電抗器的并聯型真空斷路器方案。分析表明，該方案能很好地滿足系統保護要求，并且大大節約了投資和維護成本。

關鍵詞：6 500 MVA 發電機斷路器 緊耦合分裂電抗器

中圖分類號：TU990 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）12（b）-0050-03

短路發電機專門用于開關、變壓器等高壓電氣設備的大容量短路試驗[1]。保護斷路器會在短路發電機系統遇到非預期故障短路、試品開斷不成功等狀況時開斷短路電流，保護系統內各設備。

6 500 MVA短路發電機是目前國內最大容量的同類產品[2]，為其選型保護斷路器面臨適用產品少、價格高昂等不利因素。該文通過對該發電機系統的短路工況進行了仿真分析，提出保護斷路器的性能參數要求；在充分比較市場現有產品的基礎上，提出了基于緊耦合電抗器的并聯型真空斷路器方案；分析表明，該方案能很好地滿足系統保護要求，并且大大節約了投資和維護成本。

1 需求分析

短路發電機系統結構如圖1所示，從發電機定子出線端起，依次連接保護斷路器、操作斷路器、合閘開關、限流電抗器、試驗變壓器和被試設備。有些大容量試驗站，保護斷路器和操作斷路器互為備用。

短路發電機系統從定子出線端至試驗變壓器一次側，全部采用離相封閉母線，基本避免了相間短路和三相接地短路。因此，綜合考慮保護需求和經濟性，發電機斷路器開斷的最嚴重故障確定為“發電機升壓至15 kV，空載狀態下試驗變壓器二次側出口發生三相對地短路”。

依據標準GB/T 14824-2008[3]推薦方法計算，該故障狀態下的對稱電流波形和最大非對稱電流波形，分別如圖2和圖3所示。

其中，短路發電機系統的參數如下：額定電壓UN為14 kV，額定轉速n為3 000 r/min；定子繞組電阻RA為0.88 mΩ，正序電阻R1為2.7 mΩ；負序電阻R2為4.4 mΩ，直軸同步電抗Xd為730 mΩ，直軸瞬變電抗Xd`為41 mΩ，直軸超瞬變電抗Xd"為30 mΩ，負序電抗X2為30 mΩ，三相短路時直軸瞬變電流衰減時間常數Td`為0.55 s，三相短路時直軸超瞬變電流衰減時間常數Td"為0.026 s，短路變壓器折算至一次側阻抗為45 mΩ，發電機出線端至短路變壓器一次側和發電機尾端出線至接地點的總阻抗Z1為13.25 mΩ；直流分量衰減時間常數為0.159 s。

由圖2、圖3可知，該故障狀態下，系統短路電流有效值為150 kA，峰值為400 kA，在50 ms處的直流分量約為70%（相對于150 kA的峰值）。考慮裕度，確定保護斷路器的主要技術參數如表1所示。

2 市場情況

目前，市場上開斷能力達到160 kA的發電機斷路器，滅弧介質大致有兩種，分別為SF6氣體和壓縮空氣，性能對比如表2所示。

ABB等公司的SF6發電機斷路器廣泛應用于發電廠，但需要在入線端和出線端并聯對地電容以抑制恢復電壓上升率，因對試驗波形影響大而不適用于試驗站使用；同時，其電機斷路器的使用壽命有限，維護工作量大。

MTSA公司的壓縮空氣發電機斷路器是專用于試驗站的產品，自帶限流功能，可在7 ms內切斷故障電流，但作為進口設備，售價和維護費用都比較高。

3 真空并聯開斷方案

利用一臺15 kV/80 kA真空發電機斷路器的兩個邊極，通過緊耦合分裂電抗器并聯，以實現15 kV/160 kA的電流開斷能力。緊耦合電抗器并聯狀態下，阻抗小于2 mΩ，起到均流的作用；當單臂工作時，阻抗約為752 mΩ，可將160 kA的短路電流限制到80 kA以內，再由80 kA開斷能力的真空滅弧室開斷。仿真分析最嚴酷的并聯開斷工況：A相首先過零，并聯的兩極只有一極開斷，因此，A相回路串入一個支路電感；C相接著過零，并聯的兩極只有一極開斷，因此，C相回路再串入一個支路電感；接著B相過零，并聯的兩極只有一極開斷，因此，B相回路也串入一個支路電感；接著A相過零，完成開斷，成為首開極；最后B相和C相串聯開斷剩下的回路。仿真波形如圖4所示。由圖4可知，該方案具備限流開斷能力。

4 結語

（1）6 500 MVA短路發電機系統，在出線端至短路變壓器一次側采用離相式封閉母線的情況下，大致需選用15 kV/160 kA的保護斷路器。

（2）基于緊耦合分裂電抗器的并聯型真空發電機斷路器方案能滿足該系統保護的需求。

參考文獻

[1] 張萬兵，邵桂蘭，宋曉東，等.6500MVA沖擊發電機結構特點[J].電工電氣，2010（9）：31-33.

[2] Zheng Z，Wu X，Hong S，et al.Facility Requirement Analysis of an UHV Transformers Short-circuit Test[M].Atlantis Press，2015.

[3] 中國國家標準化管理委員會.GB/T 14824-2008 高壓交流發電機斷路器[S].北京：中國標準出版社，2009.

[4] 尹婷，陳軒恕，杜硯，等.采用緊耦合電抗器的大容量高壓斷路器設計[J].高電壓技術，2010（6）：1577-1582.