中小型水電站發電機專用斷路器的選擇

殷曉安

（湖南水利水電職業技術學院，湖南長沙　410131）

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中小型水電站發電機專用斷路器的選擇

殷曉安

（湖南水利水電職業技術學院，湖南長沙410131）

摘要：正確設計選擇發電機保護斷路器直接關系到水電站后期的電氣設備合理投資、運行維護及保證水電站長周期安全經濟地運行。過去中小型水輪發電機大都選用普通型的油斷路器或真空斷路器或SF6斷路器等，近些年來選用普通真空斷路器的越來越多。中小型水電站應根據不同接線方式、不同容量的發電機出口斷路方法，選擇發電機專用斷路器。

關鍵詞：水電站；發電機；斷路器；接線方式

在湖南中小型水電站多，大部分水電站已經運行20～30年，近幾年水電站都在陸續進行增效擴容改造。本文對單機容量（5-30）MW小型水電站常用發電機不同接線方式下，發電機出口專用斷路器的選擇進行探討。

1　發電機出口專用斷路器的選擇

在30MVA以下的發電機變壓器組單元接線的小容量發電站是否需要選用專用斷路器呢？現以某水電站為例進行探討。若某水電站水輪發電機容量為30MW，發電機出口電壓為10kV，所連接的升壓變壓器容量為40000kVA。水電站電氣主接線采用發電機變壓器組單元接線。

（1）額定電流。發電機的額定電流IF:

式中，UE為額定電壓（kV），此處取10.5kV，P為發電機的額定功率（kVA），此處取30000kVA，cosΦ為發電機的功率因數約取0.8。代入公式得IF：

發電機斷路器的額定電流IFB=1.05，IF=1.05×2062=2165.1A。配電型斷路器額定電流目前各開關廠家都可以達到4000A，能滿足要求。在具體選用時可取高一檔的額定電流值，如3150A或4000A。

（2）額定短路開斷電流及直流分量。其計算涉及的參數較多，根據短路的位置不同,斷路器有可能開斷發電機源的短路故障，也有可能開斷系統源的短路故障,本處取較為嚴重的系統源短路故障，經計算，30MW發電機、37.5MVA變壓器，其短路電流最大取16kA。直流分量額定值取80%。直流分量值達到16×0.8×＝12.8×kA。根據DL/T615-1997《交流高壓斷路器參數選用導則》附錄B的短路電流計量，選擇斷路器的短路開斷電流為40kA，可計算出此時的直流分量百分數僅為12.8×/40×=32%。配電型斷路器直流分量目前各開關廠家都可以達到40%，可以滿足使用。在具體選用時可取高一檔的額定電流值，如40kA或50kA。

（3）額定短路關合電流、峰值耐受電流。發電機斷路器額定短路關合電流峰值（峰值耐受電流）為額定短路開斷電流交流分量有效值的2.74倍，而配電型斷路器為2.5倍。按40kA的斷路器來核算，40×2.5/16=6.25倍，可以滿足使用。

（4）額定失步開斷電流。發電機斷路器為額定短路開斷電流交流分量有效值的50%，配電型斷路器為25%。按40kA的斷路器來核算，16kA×50%/40kA=20%，可以滿足使用。在具體選用時可取高一檔的額定電流值，如40kA或50kA。

（5）系統源的預期瞬態恢復電壓及上升率。經查瞬態恢復電壓及上升率的有關資料，發電機斷路器為22kV，3.5 kV/μs，而配電型斷路器20.6kV，0.34kV/μs。為此必須采取限制過電壓措施。采用氧化鋅避雷器只能限制瞬態恢復電壓幅值，并不能緩解瞬態恢復電壓上升陡度，不能在發生重燃造成過電壓時保護設備，而R-C吸收裝置可以有效抑制瞬態恢復電壓上升陡度、降低重燃概率。最佳的方法是通過加裝氧化鋅避雷器和R-C阻容吸收器并聯使用，在降低瞬態恢復電壓的幅值的同時來降低瞬態恢復電壓上升率。

（6）失步開斷的預期瞬態恢復電壓及上升率。經查相關資料，失步開斷的預期瞬態恢復電壓及上升率，發電機斷路器為30kV，3.3kV/μs，配電型斷路器為30.6kV，0.26kV/μs，解決辦法是通過加裝氧化鋅避雷器和R-C阻容吸收器并聯使用，在降低瞬態恢復電壓的幅值的同時來降低瞬態恢復電壓上升率。

（7）時間常數。發電機斷路器開斷非對稱短路電流時，其直流分量衰減時間通常大于45～100ms，并有可能達到150ms。在短路電流要求小于斷路器的額定短路開斷電流的R10系列中至少一個等級的情況下，按45ms的時間常數試驗過的斷路器可以滿足更高時間常數的要求。例如，按45ms時間常數試驗的50kA的斷路器可以判定其對于40kA且具有更高時間常數的場合足夠，其實質上是考核斷路器開斷直流分量的能力。

經上所述，30MVA以下的小容量水電站，采用發電機變壓器組單元接線時不需要選用專用斷路器，完全可以選用配電型真空斷路器用于發電機出口保護。

2　擴大單元回路接線

在擴大單元回路接線中，單機容量多大的發電機出口處需要選用專用的斷路器呢？若某水電站發電機為2臺，容量均為20MW，變壓器容量為50MVA，發電機出口電壓為6.3kV，水電站電氣主接線采用二機一變擴大單元接線方式，電氣主接線略。設cosΦ=0.8，Xd＂=0.18，Uj=Up，Sj=100MW，直流分量衰減時間按斷路器開斷時間60ms計算，6.3kV母線三相短路計算結果列表1。針對二機一變擴大單元接線的不同容量的發電機，所連接的升壓變壓器容量按2臺機組容量選配標準的變壓器容量確定，經計算，將單機不同容量下（6.5MW～30MW）的三相短路電流計算結果如表1所示。

表1　6.3kV母線三相短路計算結果

對于12.5MW的發電機、額定電流1431A，選用1600A、7.2KV的普通斷路器，經查額定短路開斷電流為31.5KA，額定短路關合電流80KA，對照表1計算結果，普通斷路器能夠滿足要求。而對于15MW的發電機，額定電流為1718A，選用2500A的普通斷路器，經查額定短路開斷電流為40KA，額定短路關合電流100KA，對照表1計算結果，顯然普通斷路器額定短路關合電流無法滿足要求。目前普通真空斷路器額定短路開斷電流一般為40KA，所以大于15MW的發電機一般真空斷路器難以達到要求。

直流分量是否滿足要求呢？根據短路的位置不同，斷路器有可能開斷發電機源的短路故障，也有可能開斷系統源的短路故障，本處取較為嚴重的系統源短路故障，依據表1，15MW發電機、40MVA變壓器，其短路電流最大取38.16kA。根據DL/T615-1997《交流高壓斷路器參數選用導則》附錄B的短路電流計量，選擇斷路器的短路開斷電流為40kA，但斷路器安裝地點的短路電流值為38.16kA。當機構快速動作致使開斷電流中的直流分量達到60%時，直流分量值達到38.16× 0.6×kA，可計算出此時的直流分量百分數僅為38.16× 0.6×/40×=57.24%。配電型斷路器直流分量目前各開關廠家只能達到40%，顯然也不能滿足要求；60ms時，直流分量百分數為23.27/40=58.18%，配電型斷路器滿足不了要求。

經上所述，12.5MVA及以下的小容量水電站，采用擴大單元回路接線時不需要選用專用斷路器，15MVA及以上的發電機出口需要采用專用斷路器。

3　專用斷路器的選擇結論及注意事項

中小型水電站發電機是否采用專用斷路器，與系統容量、發電機的容量、發電機出口電壓、發電機側接線方式等因素有關。對于采用發電機變壓器組單元接線的水電站，單機容量在30MVA及以下的發電機出口不必選用專用斷路器，采用配電型真空斷路器用于發電機出口保護即可。對于采用擴大單元接線的水電站，單機容量在12.5MW及以下的電站，發電機出口處可以采用配電型真空斷路器。單機容量在15MW及以上的電站，發電機出口處需要采用專用的發電機斷路器。但必須注意，當采用配電型普通真空斷路器用于發電機出口斷路器時，應根據不同開斷時間短路電流的計算結果將額定開斷電流提高1～3檔，同時在斷路器處加裝抑制瞬態恢復電壓及上升率的有效措施。當接線方式（如采用單機單變或多機一變）和接入系統電壓等條件有所變化時，應根據實際情況進行計算和分析，選擇合適的發電機出口斷路器。

參考文獻

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［5］穆建軍，楊莉娜，李振華.中小型水輪發電機出口真空斷路器選擇分析與探討［J］.湖南水利水電，2015，（2）.

The Choice on Circuit Breakerof Small and Medium-sized Hydropower Station Generator

YIN Xiao-an
（Hunan Hydroelectric Occupational College，Changsha，Hunan 410131，China）

Abstract:Correct design of generator circuit breaker is directly related to thereasonable investment of electrical equipment，the operation maintenance，and the safe and economic operation of hydropower station.Medial-sized generators used to choose normal oil circuit breaker or vacuum circuit breaker or SF6 circuit breaker.In recent years，common vacuum breaker is becoming more and more popular.Small and medium-sized hydropower station should choose special generator circuit breaker according to different connection method and different capacity of generator circuit breaker method.

Key words:hydropower station；generator；circuit breaker；connection mode

作者簡介：殷曉安（1967-），女，湖南南縣人，大學本科，副教授，主要研究方向：電力與電子技術等。

基金項目：2013年度湖南省教育廳科學研究一般項目。項目編號：13C578。

收稿日期：2015-12-15

中圖分類號：TV734.2

文獻標識碼：A

文章編號：2095-980X（2016）01-0050-02