保護斷路器設計選型的思考中小型水電站發(fā)電機

1、保護斷路器設計選型的思考中小型水電站發(fā)電機    摘要：通常，人們習慣地對單機容量100MVA及以下的發(fā)電機組稱為中小型發(fā)電機。鑒于我國能源綜合利用開發(fā)的基本國策，自西部大開發(fā)以來，特別在西南地區(qū)，中小型水力發(fā)電機組建設拔地而起，產(chǎn)業(yè)結(jié)構也已具備了一定的規(guī)模，隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展，對于中小型水力發(fā)電機保護斷路器的設計選型，改變以往使用通用型斷路器為發(fā)電機型斷路器的傳統(tǒng)，已是大勢所趨。 關鍵詞：斷路器 水電站 發(fā)電機 內(nèi)容 -> 通常，人們習慣地對單機容量100MVA及以下的發(fā)電機組稱為中小型

2、發(fā)電機。鑒于我國能源綜合利用開發(fā)的基本國策，自西部大開發(fā)以來，特別在西南地區(qū)，中小型水力發(fā)電機組建設拔地而起，產(chǎn)業(yè)結(jié)構也已具備了一定的規(guī)模，隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展，對于中小型水力發(fā)電機保護斷路器的設計選型，改變以往使用通用型斷路器為發(fā)電機型斷路器的傳統(tǒng)，已是大勢所趨。 1 發(fā)電機型斷路器與通用型斷路器的技術性能比較 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。 如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。 發(fā)電機型斷路器與通

3、用型斷路器的不同之處，是前者對某些技術性能的技術參數(shù)要求要苛刻得多。因為發(fā)電機的電感值較系統(tǒng)相對要大，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。GBT14824-1993中規(guī)定：在斷路器分閘時間加0.01s時，直流分量(DC)約為68，衰減時間常數(shù)為60ms，顯然較通用型斷路器的直流分量DC20和衰減時間常數(shù)45ms要大；同時，額定短路關合電流也不相同，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，同時還注明有直流分量(DC)值，而通用型斷路器則僅標

4、有額定短路電流值。 通過比較可以看出，發(fā)電機型斷路器較通用型斷路器開斷、關合條件均要苛刻，型式試驗的考核也相對嚴格得多。 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ANSIIEEEC37-013"以對稱電流為基礎的交流高壓發(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 斷與關合、發(fā)電機源短路開斷和失步開斷與關合。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DC20

5、及DC20兩種條件；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3.5kVs；關合試驗按2.74倍額定短路電流(峰值)合并進行的。國外西屋和西門子公司在進行此項試驗時，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0.34kVs；關合試驗是按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60ms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

6、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。 (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ANSIIEEEC37-013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。 (3)失步開斷與關合試驗。 發(fā)電機型斷路器失步開斷與關合試驗是在合、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20和50兩種條件；

7、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3.3kVs；關合試驗按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；國外西屋公司在進行此項試驗時的直流分量(DC)為80；西門子公司為120。 通用型斷路器的合、分失步開斷與關合試驗，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0.26kVs；而對關合電流不作規(guī)定。 我國國家標準GB1984規(guī)定：失步開斷僅適用于聯(lián)絡斷路器，對于通用型斷路器在10kV系統(tǒng)應用時，則不必進行失

8、步開斷與關合此項試驗。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。 3 發(fā)電機型斷路器開發(fā)研究過程 在發(fā)電機型斷路器未進行開發(fā)研究之前，由于沒有專門的發(fā)電機保護斷路器，設計選型只能是選擇額定電流大、短路開斷電流大和直流分量大的斷路器用于發(fā)電機回路作為保護設備。 4 中小型水力發(fā)電機保護斷路器設計的思考 （1）重視中小容量水力發(fā)電機保護斷路器的設計應用。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

9、型作為發(fā)電機保護回路主要保護電氣設備，所以，正確設計選擇發(fā)電機保護斷路器直接關系著水電站后期的電氣設備合理投資、運行維護簡單方便、保證水電站長周期安全經(jīng)濟運行，事關重大，故而應予以認真對待。 （2）避免發(fā)電機保護斷路器設計選型的誤區(qū)。早期在發(fā)電機型斷路器標準未實施之前，因為沒有專門的發(fā)電機保護斷路器產(chǎn)品，人們對于發(fā)電機斷路器設計選型，只是考慮額定電流、短路開斷電流和直流分量較大，就可以應用于發(fā)電機回路。我國過去常用于中小容量水電站的發(fā)電機保護斷路器主要是少油SN3-10型和SN4-10型，這些產(chǎn)品的結(jié)構比較簡單、技術落后、額定參數(shù)低、運行極不可靠、滿足不了當前發(fā)展中的中小型水力發(fā)電站

10、的技術要求，逐步將被新型真空斷路器所取代。設計選型發(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。 (3)關于真空斷路器的截流過電壓保護。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)構和系統(tǒng)配置有關，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*截流值的技術措施進行了一系列研究，并且取得了一定的效果，西屋

11、公司和西門子公司已確認該公司的真空斷路器截流值已降低至3A5A。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，相對于價格昂貴的水輪發(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)精心設計，合理配置、確保發(fā)電機保護斷路器可靠運行。發(fā)電機是水力發(fā)電站的主機，而作為保護主機的斷路器則是保證發(fā)電機安全可靠運行的基礎，為重中之重。 熟悉掌握發(fā)電機保護斷路器各種技術參數(shù)和功能，對于能夠量化的技術參數(shù)，如額定工作電流、短路開斷電流、直流分量(DC%)、最大關合電流等，設計中必須進行認真準確地計算；對于隨機性的一些技術參數(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)已具備的設計數(shù)據(jù)，合理選擇斷路器的技術參數(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。 5 結(jié)束語