中小型水電站發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器設(shè)計(jì)選型的思考

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摘要：通常，人們習(xí)慣地對(duì)單機(jī)容量100MVA及以下的發(fā)電機(jī)組稱為中小型發(fā)電機(jī)。鑒于我國(guó)能源綜合利用開(kāi)發(fā)的基本國(guó)策，自西部大開(kāi)發(fā)以來(lái)，特別在西南地區(qū)，中小型水力發(fā)電機(jī)組建設(shè)拔地而起，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也已具備了一定的規(guī)模，隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)于中小型水力發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器的設(shè)計(jì)選型，改變以往使用通用型斷路器為發(fā)電機(jī)型斷路器的傳統(tǒng)，已是大勢(shì)所趨。

　　關(guān)鍵詞：斷路器；水電站；發(fā)電機(jī)

　　1、發(fā)電機(jī)型斷路器與通用型斷路器的技術(shù)性能比較

　　發(fā)電機(jī)型斷路器與通用型斷路器在機(jī)械特性、絕緣特性和電氣特性的表述方式上基本相同。

　　如對(duì)短路開(kāi)斷電流均以交流分量有效值和直流分量百分?jǐn)?shù)（DC%）表示；絕緣性能均以工頻和雷電沖擊耐壓水平考核；機(jī)械特性考核項(xiàng)目等也基本相同。

　　發(fā)電機(jī)型斷路器與通用型斷路器的不同之處，是前者對(duì)某些技術(shù)性能的技術(shù)參數(shù)要求要苛刻得多。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)的電感值較系統(tǒng)相對(duì)要大，作為保護(hù)斷路器在瞬間所承受的直流分量和衰減時(shí)間常數(shù)均大得多。GB/T14824-1993中規(guī)定：在斷路器分閘時(shí)間加0.01s時(shí)，直流分量（DC%）約為68%，衰減時(shí)間常數(shù)為60ms，顯然較通用型斷路器的直流分量DC%≤20%和衰減時(shí)間常數(shù)45ms要大；同時(shí)，額定短路關(guān)合電流也不相同，發(fā)電機(jī)型斷路器因?yàn)橹绷鞣至枯^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(jī)型斷路器的銘牌除標(biāo)有額定短路電流值外，同時(shí)還注明有直流分量（DC%）值，而通用型斷路器則僅標(biāo)有額定短路電流值。

　　通過(guò)比較可以看出，發(fā)電機(jī)型斷路器較通用型斷路器開(kāi)斷、關(guān)合條件均要苛刻，型式試驗(yàn)的考核也相對(duì)嚴(yán)格得多。

　　2、發(fā)電機(jī)型斷路器的主要型式試驗(yàn)考核內(nèi)容

　　依據(jù)當(dāng)前國(guó)際通用的ANSI/IEEEC37-013以對(duì)稱電流為基礎(chǔ)的交流高壓發(fā)電機(jī)斷路器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)發(fā)電型斷路器型式試驗(yàn)考核內(nèi)容主要是：系統(tǒng)源短路的開(kāi)斷與關(guān)合、發(fā)電機(jī)源短路開(kāi)斷和失步開(kāi)斷與關(guān)合。其它的型式試驗(yàn)考核與通用型斷路器內(nèi)容基本相同。

　?。?）系統(tǒng)源短路的開(kāi)斷與關(guān)合試驗(yàn)。發(fā)電機(jī)型斷路器是在非自動(dòng)重合閘操作順序下進(jìn)行。直流分量分DC%<20%及DC%>20%兩種條件；瞬態(tài)恢復(fù)電壓（峰值）為1.7倍發(fā)電機(jī)最高工作電壓；瞬態(tài)恢復(fù)電壓的上升率為3.5kV/μs；關(guān)合試驗(yàn)按2.74倍額定短路電流（峰值）合并進(jìn)行的。國(guó)外西屋和西門子公司在進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)，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(dòng)重合閘操作順序下進(jìn)行的。直流分量（DC%）<20%；瞬態(tài)恢復(fù)電壓（峰值）為1.71倍額定工作電壓；瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升率為0.34kV/μs；關(guān)合試驗(yàn)是按2.5倍額定短路電流（峰值）與對(duì)稱開(kāi)斷試驗(yàn)合并進(jìn)行。當(dāng)斷路器的分閘時(shí)間≥60ms時(shí)，則不必進(jìn)行非對(duì)稱開(kāi)斷試驗(yàn)。

　　上述兩種類型斷路器的試驗(yàn)考核，均相當(dāng)于三相試驗(yàn)時(shí)首開(kāi)相或者單相試驗(yàn)時(shí)的條件。相比之下，即便是開(kāi)斷電流的數(shù)值相同，而發(fā)電機(jī)型斷路器則是在高直流分量和瞬態(tài)恢復(fù)電壓下進(jìn)行開(kāi)斷，開(kāi)斷條件較通用型斷路器苛刻得多。

　　（2）發(fā)電機(jī)源短路的開(kāi)斷試驗(yàn)。

　　發(fā)電機(jī)源短路的開(kāi)斷試驗(yàn)條件則更為苛刻，該試驗(yàn)具有更高的直流分量。按照ANSI/IEEEC37-013標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：此值為DC%=130%.對(duì)于這一試驗(yàn)考核，通用型斷路器則是無(wú)法勝任的。

　　（3）失步開(kāi)斷與關(guān)合試驗(yàn)。

　　發(fā)電機(jī)型斷路器失步開(kāi)斷與關(guān)合試驗(yàn)是在合、分條件下進(jìn)行的。外施電壓和首相開(kāi)斷工頻恢復(fù)電壓為1.22倍發(fā)電機(jī)最高電壓；開(kāi)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(tài)恢復(fù)電壓峰值為2.5倍發(fā)電機(jī)最高電壓；瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升率為3.3kV/μs；關(guān)合試驗(yàn)按2.5倍對(duì)稱開(kāi)斷電流交流分量值（峰值）與開(kāi)斷試驗(yàn)合并進(jìn)行；國(guó)外西屋公司在進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)的直流分量（DC%）為80%；西門子公司為120%.

　　通用型斷路器的合、分失步開(kāi)斷與關(guān)合試驗(yàn)，外施電壓和首相開(kāi)斷工頻恢復(fù)電壓為1.44倍系統(tǒng)最高電壓；開(kāi)斷電流為25%的交流分量有效值；直流分量（DC%）<20%；瞬態(tài)恢復(fù)電壓峰值為2.55倍額定工作電壓；瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升率為0.26kV/μs；而對(duì)關(guān)合電流不作規(guī)定。

　　我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1984規(guī)定：失步開(kāi)斷僅適用于聯(lián)絡(luò)斷路器，對(duì)于通用型斷路器在10kV系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，則不必進(jìn)行失步開(kāi)斷與關(guān)合此項(xiàng)試驗(yàn)。該標(biāo)準(zhǔn)已被修訂，目前正在待批。相對(duì)比較，發(fā)電機(jī)型斷路器對(duì)失步開(kāi)斷與關(guān)合試驗(yàn)不僅要做，而且直流分量和瞬態(tài)恢復(fù)電壓值要大得多，這是通用型斷路器不可能替代的。

　　3、發(fā)電機(jī)型斷路器開(kāi)發(fā)研究過(guò)程

　　在發(fā)電機(jī)型斷路器未進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究之前，由于沒(méi)有專門的發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器，設(shè)計(jì)選型只能是選擇額定電流大、短路開(kāi)斷電流大和直流分量大的斷路器用于發(fā)電機(jī)回路作為保護(hù)設(shè)備。

　　4、中小型水力發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器設(shè)計(jì)的思考

　　（1）重視中小容量水力發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器的設(shè)計(jì)應(yīng)用。發(fā)電機(jī)保護(hù)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(jì)算等，選型作為發(fā)電機(jī)保護(hù)回路主要保護(hù)電氣設(shè)備，所以，正確設(shè)計(jì)選擇發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器直接關(guān)系著水電站后期的電氣設(shè)備合理投資、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單方便、保證水電站長(zhǎng)周期安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，事關(guān)重大，故而應(yīng)予以認(rèn)真對(duì)待。

　?。?）避免發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器設(shè)計(jì)選型的誤區(qū)。早期在發(fā)電機(jī)型斷路器標(biāo)準(zhǔn)未實(shí)施之前，因?yàn)闆](méi)有專門的發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器產(chǎn)品，人們對(duì)于發(fā)電機(jī)斷路器設(shè)計(jì)選型，只是考慮額定電流、短路開(kāi)斷電流和直流分量較大，就可以應(yīng)用于發(fā)電機(jī)回路。我國(guó)過(guò)去常用于中小容量水電站的發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器主要是少油SN3-10型和SN4-10型，這些產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、技術(shù)落后、額定參數(shù)低、運(yùn)行極不可靠、滿足不了當(dāng)前發(fā)展中的中小型水力發(fā)電站的技術(shù)要求，逐步將被新型真空斷路器所取代。設(shè)計(jì)選型發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器時(shí)，除應(yīng)滿足額定電流、短路開(kāi)斷電流和直流分量的同時(shí)，必須充分考慮回路的時(shí)間常數(shù)，瞬態(tài)恢復(fù)電壓、失步開(kāi)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(jī)斷路器標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。

　?。?）關(guān)于真空斷路器的截流過(guò)電壓保護(hù)。真空斷路器以良好的開(kāi)斷性能應(yīng)用于發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器極為普遍。由于真空優(yōu)越的滅弧特性，往往在開(kāi)斷過(guò)程中發(fā)生截流現(xiàn)象，因?yàn)榻亓饕鸬牟僮鬟^(guò)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(jī)性。國(guó)內(nèi)外許多真空滅弧室制造商，對(duì)于真空滅弧室限制截流值的技術(shù)措施進(jìn)行了一系列研究，并且取得了一定的效果，西屋公司和西門子公司已確認(rèn)該公司的真空斷路器截流值已降低至3A～5A.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(jī)性，相對(duì)于價(jià)格昂貴的水輪發(fā)電機(jī)而言，在發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器回路，仍應(yīng)加裝過(guò)電壓保護(hù)裝置。

　?。?）精心設(shè)計(jì)，合理配置、確保發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器可靠運(yùn)行。發(fā)電機(jī)是水力發(fā)電站的主機(jī)，而作為保護(hù)主機(jī)的斷路器則是保證發(fā)電機(jī)安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)，為重中之重。

　　熟悉掌握發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器各種技術(shù)參數(shù)和功能，對(duì)于能夠量化的技術(shù)參數(shù)，如額定工作電流、短路開(kāi)斷電流、直流分量（DC%）、最大關(guān)合電流等，設(shè)計(jì)中必須進(jìn)行認(rèn)真準(zhǔn)確地計(jì)算；對(duì)于隨機(jī)性的一些技術(shù)參數(shù)，如瞬態(tài)恢復(fù)電壓峰值、上升率、時(shí)間常數(shù)、截流值等，盡可能地進(jìn)行各種條件下的計(jì)算分析比較。根據(jù)已具備的設(shè)計(jì)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(jī)保護(hù)斷路器長(zhǎng)周期的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。

　　5、結(jié)束語(yǔ)

　　影響斷路器開(kāi)斷能力的因素，除了電流大小和直流分量之外，恢復(fù)電壓峰值和上升率也是相當(dāng)重要的。而對(duì)于發(fā)電機(jī)或者變壓器在保護(hù)斷路器開(kāi)斷過(guò)程中恢復(fù)電壓峰值和上升率隨其容量的變化，至今仍難作出定量的規(guī)定。在中小型水力發(fā)電站設(shè)計(jì)中，當(dāng)前仍應(yīng)根據(jù)已經(jīng)執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，合理配置發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器，應(yīng)該是科學(xué)的、規(guī)范的、有益的最佳選擇。