巴基斯坦T電站磁場斷路器參數設計與選型研究

鄒來勇 周強 桂遠乾

摘要：巴基斯坦T電站機組單機容量大、勵磁參數高，對磁場斷路器的參數要求也非常高。為了確定磁場斷路器的參數要求，給磁場斷路器選型設計提供量化理論依據，采用定性分析與定量計算相結合的研究方法，對巴基斯坦T電站可能出現的各種故障類型和相應的滅磁工況，以及各種滅磁工況下的轉子電壓和轉子電流進行了分析、計算和研究，進而確定磁場斷路器的參數要求。通過對具有高分斷能力的Gerapid 4207 2X2和CEX 06 5000 4.2開關的比選分析，發現Gerapid 4207 2X2開關能滿足巴基斯坦T電站發電機事故滅磁分斷要求。

關鍵詞：磁場斷路器； 額定分斷能力； 巴基斯坦T電站

中圖法分類號：TM312

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.06.017

文章編號：1006-0081（2023）06-0089-05

0 引 言

磁場斷路器作為發電機滅磁系統的核心設備，其選型得當與否直接關系到遇發電機事故時能否可靠切斷發電機勵磁電源。因磁場斷路器參數選擇不當造成磁場斷路器燒毀的事故屢見報道［1-3］，該類事故的主要原因是斷路器分斷能力不足［4-5］。因此在工程設計中，對磁場斷路器的參數及產品選型進行分析、計算和研究十分必要，尤其是勵磁電流和勵磁電壓高的大型發電機。

巴基斯坦T電站單機容量為502.2 MW，額定勵磁電壓和額定勵磁電流高達472 V和3 261 A，額定勵磁電壓甚至超過烏東德右岸電站的421.5 V。由于巴基斯坦T電站發電機采用自并勵勵磁方式，勵磁電壓高必然會抬高勵磁變壓器的副邊電壓，滅磁時（三相短路除外）晶閘管整流器的輸出電壓也將相應提高，因此，對磁場斷路器的額定分斷能力提出了更高要求。

關于磁場斷路器的研究，大多只限于磁場斷路器額定分斷弧壓的分析，而未對該額定分斷電壓（或弧壓）下的額定分斷電流進行計算并考核，也未有對磁場斷路器其他參數進行分析計算［6-8］。長江勘測規劃設計研究有限責任公司勵磁團隊結合工程和科技攻關項目對磁場斷路器進行了持續、系統的研究，從磁場斷路器滅磁工況計算、參數選擇、到產品選型均進行了深入研究［9-11］，形成了較完整的分析方法和理論體系［12-13］。

本文根據巴基斯坦T電站可能的各種故障類型和相應的滅磁工況分析，按照ANSI/IEEE C37.18-1979（R2003）《旋轉電機磁場放電回路封閉式斷路器》及中國標準DL/T 294.1-2011《發電機滅磁及轉子過電壓保護裝置技術條件 第1部分 磁場斷路器》要求，對磁場斷路器各滅磁工況下的轉子電流和轉子電壓進行分析計算，得出磁場斷路器的參數要求，最終選出滿足該參數要求的磁場斷路器。

1 磁場斷路器參數計算和分析

1.1 發電機參數及滅磁工況分析

巴基斯坦T電站發電機及勵磁系統相關參數見表1。

表1中，頂值電壓倍數1.6為業主招標文件要求，低于中國標準DL/T 583-2018《大中型水輪發電機靜止整流勵磁系統技術條件》要求的2倍。當頂值電壓倍數小于2時，頂值電流倍數應與頂值電

壓倍數相同，故也為1.6。業主招標文件還要求在發變組500 kV側發生短路故障且發電機電壓下降70%時，應保持勵磁性能，這高于中國標準要求的80%。

業主招標文件要求磁場斷路器為帶滅弧室的雙極空氣斷路器，能在包括短路在內的所有運行條件下，分斷最大磁場電流。可見，業主只要求機組在各種短路事故下滅磁，對空載誤強勵滅磁沒有特殊要求，這與ANSI/IEEE C37.18-1979（R2003）《旋轉電機磁場放電回路封閉式斷路器》的要求一致，該標準也只要求按機端三相短路來要求磁場斷路器的額定分斷能力。

盡管如此，鑒于該電站在巴基斯坦電網的重要地位，加之空載誤強勵事故時有發生且破壞性極強，中國標準中對空載誤強勵滅磁作出了明確要求，對巴基斯坦T電站這種容量大、影響深遠的電站，不但需要計算機端三相短路、勵磁回路短路兩種典型短路滅磁工況的參數，更應該對空載誤強勵滅磁工況進行計算，確保磁場斷路器能在任何惡劣的滅磁工況下可靠滅磁。

根據機組運行工況和事故類型，機組還有空載滅磁、負載滅磁、正常強勵滅磁等其他工況，文獻分析表明，這幾種滅磁工況均不如機端三相短路及空載誤強勵嚴重［12-13］。因此，本節不對這3種事故滅磁過程中的參數進行分析計算。

1.2 額定分斷能力分析與計算

1.2.1 空載誤強勵時分斷能力分析計算

（1） 空載誤強勵滅磁時最大分斷電壓Ubm計算。在空載誤強勵時，發電機主保護不會動作，待機端電壓上升至1.3倍額定電壓后，按中國標準DL/T 684-2012《大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則》規定，定子過電壓保護延時0.3 s動作跳閘，保護動作后約0.4 s，磁場斷路器分閘。

發電機機端1.3倍額定電壓時，轉子磁路已較飽和，時間常數已很小，可認為0.4 s期間，發電機電壓僅有較小增加，估算時參考其他電站［7］發電機過電壓倍數取1.35，強勵時晶閘管控制角α=10°。此時勵磁功率整流器的輸出電壓Udm可計算如下：

Udm=1.35×1.35U2Ncosα-

π3KciIfNXTE-∑ΔU（1）

式中：Udm為整流器輸出電壓，V；U2N、SN、Kci、IfN、uk等參數定義、數值及單位見表1；XTE為勵磁變電抗，XTE=uk·U22N/SN；∑ΔU為包括勵磁變電阻壓降、晶閘管壓降和電纜壓降等壓降總和，強勵時按30 V估算。

一般認為1.3倍過電壓滅磁開始時，轉子電流已達到穩態值。轉子起始電流If（0）可計算如下：

If（0）=UdmRf（2）

式中：If（0）為轉子起始電流，A；Udm為整流器的輸出電壓，V，由式（1）計算；Rf為轉子電阻，數值及單位見表1。

滅磁分斷過程中，轉子電流向滅磁電阻轉移，滅磁電阻電壓逐漸升高，熄弧分斷時達最高值，此時轉子電流If（0）完全轉移至滅磁電阻，滅磁電阻電壓Urm為：

Urm=CIβf（0）（3）

式中：Urm為滅磁電阻電壓，V；If（0）為轉子電流起始電流，A；β為滅磁電阻非線性系數，取0.4；C為滅磁電阻電壓系數，取34.15。

忽略各種壓降，磁場斷路器最大分斷電壓Ubm，等于整流器的輸出電壓和滅磁電阻電壓之和，可由式（1）和式（3）計算如下：

Ubm=Udm+Urm=Udm+CIβf（0）=3000（4）

式中：Ubm為最大分斷電壓，V；Udm為整流器的輸出電壓，V；Urm為滅磁電阻電壓，V；If（0）為轉子電流起始電流，A；β為滅磁電阻非線性系數，取0.4；C為滅磁電阻電壓系數，取34.15。

（2） 空載誤強勵滅磁時最大分斷電流Ibm計算。磁場斷路器分斷電流隨滅磁分斷過程衰減，最大值為觸頭剛分離時，熄弧分斷時為零。由于磁場斷路器觸頭分離前滅磁電阻投入，在整流器輸出電壓Udm的作用下將產生流過磁場斷路器觸頭的附加電流分量Ir（0），最大分斷電流Ibm為轉子初始電流If（0）與流過滅磁電阻的附加電流Ir（0）之和：

Ibm=If（0）+Ir（0）=If（0）+elnUdmCβ=25.6（kA）（5）

式中：Ibm為最大分斷電流，A；If（0）為轉子初始電流，A；Ir（0）為流過滅磁電阻的附加電流，A；Udm為整流器輸出電壓，V；β和C分別為滅磁電阻非線性系數和電壓系數。

1.2.2 機端三相短路時分斷能力分析計算

（1） 機端短路滅磁時最大分斷電流Ibm計算。機端三相短路時，發電機主保護動作跳閘滅磁，計及保護動作時間及磁場斷路器的分閘時間約0.1 s后，最大分斷電流Ibm為機端三相短路發生后0.1 s時的轉子電流，由文獻計算如下［13］：

Ibm=If（0.1）=I-f 0e-0.1T′d+Xd-X′dU（0）X′de-0.1T′d+Xd-X′dU（0）X′de-0.1TaIf 0=9293（6）

式中：Ibm為最大分斷電流，A；If（0.1）為機端三相短路發生后0.1 s時的轉子電流，A；

I-f 0為短路發生前轉子電流，A，取1.1倍發電機額定勵磁電流；

U（0）為短路前發電機電壓，標么值，取1.05；

If 0、Xd、X′d、T′d等參數定義、數值及單位見表1。

（2） 機端三相短路時最大分斷電壓Ubm計算。如三相短路發生在發電機斷路器與發電機之間，發電機斷路器分閘后，短路點仍然存在，此時機端電壓為0，滅磁電阻上無附加分斷電流分量，故要求的分斷能力不高。

如三相短路發生在發電機斷路器另一側（電網側），強勵動作，短路切除后機端電壓快速恢復，假設滅磁時仍未達到切除強勵的機端電壓，取機端電壓0.95UN，晶閘管強勵控制角α=10°，最大分斷電壓Ubm為整流器輸出最大電壓Udm與滅磁電阻最大電壓Urm之和，忽略壓降，由式（1）和式（3）計算為

Ubm=Udm+Urm=1.35×0.95U2Ncosα+CIβbm

=2469（7）

式中：Ubm為最大分斷電壓，V；Udm為整流器輸出電壓，V；Urm為滅磁電阻電壓，V；U2N為勵磁變副邊電壓，A；α為晶閘管控制角，（°）；Ibm為最大分斷電流，A；β為滅磁電阻非線性系數；C滅磁電阻電壓系數。

（3） 磁場斷路器額定分斷能力分析。比較空載誤強勵和機端三相短路兩種滅磁工況下的分斷電壓和分斷電流，空載誤強勵滅磁的數值更大，因此磁場斷路器額定分斷能力應按空載誤強勵滅磁工況來考核，應具有在3 000 V電壓下分斷25.6 kA的額定分斷能力。

1.3 額定短路分斷能力分析與計算

額定短路分斷能力主要考證斷路器在發電機勵磁回路發生正、負極短路時的開斷能力，若整流器晶閘管的快速熔斷器未熔斷切斷短路電流，勵磁變壓器過電流保護將動作停機并跳磁場斷路器滅磁，此時磁場斷路器需分斷磁場短路電流。

（1） 額定短路分斷電流Idsm計算。按照ANSI/IEEE C37.18-1979（R2003）《旋轉電機磁場放電回路封閉式斷路器》定義，直流磁場斷路器額定短路分斷電流應不小于頂值電壓時的轉子短路電流。此時，發電機機端電壓仍小于0.95UN，整流器輸出頂值電壓（即強勵），短路電流平均值Ids為

Ids=32πukSN3U2NKu=5.49（kA）（8）

式中：Ids為短路電流平均值；U2N、SN、uk等參數定義、數值及單位見表1；機端電壓倍數Ku取0.95。

額定短路分斷電流Idsm應不小于Ids，即

Idsm≥Ids （9）

（2） 額定短路分斷電壓計算。此時直流側已短路，恢復電壓Ubsm就是整流器的輸出電壓，忽略勵磁變壓器的換流壓降，恢復電壓Ubsm可計算如下：

Ubsm≥1.35KuU2Ncosα=1149（V）（10）

式中：Ubsm為恢復電壓，V；U2N為勵磁變副邊電壓，A；Ku為機端電壓倍數取0.95；α為晶閘管控制角，強勵取10°。

（3） 磁場斷路器額定短路分斷能力分析。由以上分析可知，磁場斷路器應具有在1 149 V電壓下分斷54.9 kA電流的額定短路分斷能力。

1.4 磁場斷路器其他主要參數分析與計算

磁場斷路器其他參數按ANSI/IEEE C37.18-1979（R2003）《旋轉電機磁場放電回路封閉式斷路器》標準計算如下。

（1） 額定電壓UN。該電壓為磁場斷路器長期連續工作的最大電壓。該電壓應大于發電機機端1.1倍額定電壓且整流橋全開放時的勵磁電壓，即UN≥1.35×1.1U2N=1 351（V），取1 500 V。

（2） 額定連續電流IN。該電流應大于發電機額定勵磁電流110%，即IN≥1.1IfN=3 587（A），取4 000 A。

（3） 磁場斷路器的絕緣耐壓Uj。磁場斷路器應具有與發電機轉子回路相同的額定絕緣水平，即與轉子回路直接連接的設備或回路的絕緣耐壓試驗電壓值。對發電機額定勵磁電壓為500 V及以下者，出廠試驗電壓（50 Hz，有效值）為10倍額定勵磁電壓，且最小值不得低于1 500 V，即Uj ≥10UfN=4 720（V），取4 800 V。

2 磁場斷路器選型研究

2.1 磁場斷路器參數要求

根據上節的計算和分析，磁場斷路器的主要參數要求見表2。

2.2 磁場斷路器性能參數分析研究

目前分斷能力較高的斷路器有法國LENOIR CEX系列開關、瑞士Sécheron公司的UR開關和HPB開關、美國GE公司Gerapid開關等，其中CEX開關為雙極多斷口開關，其他開關均單斷口開關，有文獻［8，14］表明，Gerapid開關弧壓穩定且比同級別UR及HPB斷路器分斷能力強。因此，選取其中代表性的CEX 06 5000 4.2和Gerapid 4207 2X2開關進行分析比選，其參數及巴基斯坦T電站磁場斷路器的參數要求如表3所示。

對表3數據分析如下。

（1） 額定電壓和額定連續電流：兩種開關都不小于1 500 V，均滿足要求。

（2） 額定最大分斷電壓及額定最大分斷電壓下的額定分斷電流：Gerapid 4207 2X2開關并非勵磁系統專用的磁場斷路器，無磁場斷路器特有的額定最大分斷電壓參數，但給出了最大弧壓值4 500 V，大于所需要的最大分斷電壓要求值3 000 V，中國磁場斷路器標準對磁場斷路器分斷能力是按最大分斷弧壓來要求的，所以也滿足要求。CEX 06 5000 4.2開關額定最大分斷電壓為3 000 V，滿足要求。

同樣，Gerapid 開關也無磁場斷路器特有的額定最大分斷電流這一參數，一般整流器直流側短路電流總大于發電機的額定分斷電流，故滿足整流器直

流側短路分斷要求（即額定短路分斷能力）的磁場斷路器，可滿足發電機額定分斷電流的要求。由表3知，Gerapid 4207 2X2開關額定短路分斷電流為71 kA，大于25.6 kA，滿足要求。CEX 06 5000 4.2開關在3 000 V的電壓下分斷電流為5 kA，小于25.6 kA，從數值上看，不滿足要求。

（3） 額定短路分斷電壓和額定短路分斷電流：Gerapid 06 5000 4.2開關在額定短路電壓2 000 V時額定短路電流為71 kA（大于54.9 kA），滿足要求。CEX開關的產品樣本只有700 V電壓下的短路分斷電流值，為80 kA，無法判斷在1 149 V電壓下是否能分斷54.9 kA短路電流。

（4） 絕緣耐壓：兩種開關均大于4 800 V，滿足要求。

2.3 磁場斷路器分析與選擇

下面從參數、型式、結構等方面對兩種開關進行綜合分析判斷。

從參數看，Gerapid 4207 2X2開關能滿足巴基斯坦T電站磁場斷路器所有主要參數的要求;CEX 06 5000 4.2開關額定分斷電流不足，而額定短路分斷能力又無法判斷，所以從參數看，CEX開關不能完全滿足要求，需采取其他輔助措施才能滿足要求，如誤強勵保護［11］、優化定子過電壓保護定值 ［15-16］、輔助逆變器［17］措施等。

從型式看，Gerapid 4207 2X2開關為單斷口開關，不滿足業主雙極多斷口的要求；CEX 06 5000 4.2開關為雙極4斷口斷路器，滿足業主要求。

從結構看，Gerapid 開關擁有緊湊封閉的結構，體積小；CEX開關體積較大，電站機旁盤柜布置空間緊張，采用Gerapid 斷路器可減少1面盤柜，利于設備合理布置。

一般認為，參數的重要性遠大于其他方面的要求，參數不夠可能會帶來滅磁失敗乃至設備燒毀等災難性后果。而結構方面比如雙極要求，可通過增加負極隔離開關或斷路器來滿足。負極隔離開關或斷路器只用作隔離和檢修斷口，不用于滅弧，它與磁場斷路器之間應設置電氣閉鎖，只有在磁場斷路器跳閘后才能動作。

基于以上分析，投標方案選用了Gerapid 4207 2X2開關作為磁場斷路器，與外方簽訂的項目主合同一致。在合同執行階段，也將Gerapid 4207 2X2斷路器為單極開關，與招標文件要求的雙極多斷口開關有出入，告知業主，并將多斷口開關CEX 06 5000 4.2作為備選方案供業主工程師審查，以便業主綜合評判和取舍。

3 結 語

目前，巴基斯坦T電站暫按Gerapid開關設計，但由于其單斷口結構不能完全滿足業主合同要求，所以還不能完全排除CEX開關。CEX開關作為目前唯一帶有放電輔助觸頭的多斷口勵磁系統專用磁場斷路器，具有許多獨特優勢，例如其多斷口結構利

于產生檢修斷口，獨有的放電常閉觸頭使滅磁電阻

投入回路大大簡化，專門弧觸頭設計能更好地保護主觸頭等。從CEX 98/06 5000 - 5500 A磁場斷路器型式試驗報告看，其分斷弧壓遠高于其樣本上的額定分斷電壓，其分斷能力被低估。鑒于其分斷電流的不足，可采取2.3節所述措施來降低滅磁時轉子電流，從而降低斷路器分斷電流的要求。對于巴基斯坦T電站，還可采用交直流冗余滅磁方式，在勵磁變壓器低壓側增加1個交流磁場斷路器構成交流滅磁系統，在空載誤強勵時采用交流滅磁，由交流磁場斷路器分斷滅磁，三相短路時，采用直流滅磁，主要由直流磁場斷路器分斷滅磁，交直流滅磁相互配合，可大大降低磁場斷路器的要求，但這種方案需增加投資，暫不推薦。

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（編輯：唐湘茜）

Parameters design and selection of magnetic field circuit breaker for T power station in Pakistan

ZOU Laiyong，ZHOU Qiang，GUI Yuanqian

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

T-station in Pakistan has large generator capacity and high rated excitation parameters，so the parameters of field circuit breakers are also very high.In order to determine the parameter requirements of field circuit breaker and provide a quantitative theoretical basis for the selection and design of field circuit breaker，the research method of qualitative analysis combined with quantitative calculation is adopted to analyze and study various possible fault types and corresponding de-excitation conditions of Pakistan T power station，and calculate the rotor voltage and rotor current under various serious de-excitation conditions，so as to determine the parameter requirements of field circuit breaker.Through the comparison and analysis of the Gerapid 4207 2X2 and CEX 06 5000 4.2 breakers with high breaking capacity.It is shown that the Gerapid 4207 2X2 breaker can meet the requirements of de-excitation breaking in case of generator accident for Pakistan T power station.The research conclusion can provide technical support for the equipment selection during the project bidding and the main contract signing．

Key words：

field circuit breaker； rated breaking capacity； Pakistan T power station