跑马坪水电站发电机断路器的选型.pdf

1概述 跑马坪水电站发电机断路器的选型 毛敏 陕西省水 利电 力勘 测设计研 究院 陕西 西安7 1 0 0 0 1 摘 要 通过跑马坪水电站三相短路 电流计算 分析装设发电机断路器的必要性以及可行性 论述 并确定了跑马坪水电站装设 F 6发电机断路器 关键词 发电机断路器 fi C B 交流分量 非周期分量 直流分量 中图分 类号 T V 7 3 8 文献标 识码 B 跑 马坪水 电站 位 于 四川省 凉 山 州木 里 县境 内 的鸭嘴河 上 为 鸭嘴河 的第 三级水 电 站 电站装设 2台单机容量为 6 0 M W 的水斗 式 立轴水 轮发 电机 组 总装 机 容量 1 2 0 MW 发电机额定电压为 1 0 5 k V 额定功率因数 0 8 5 额 定 电流为 3 8 8 1 A 电气 主接线采 用 二 机一变 扩大单 元接线 设 置 1台额定容 量 为 1 5 0 MV A组 合式 三 相 双卷 升 压 型无 励 磁 调 压铜 芯 电力 变压 器 将 发 电机 1 0 5 k V电 压 升压至 2 2 0 k V电压 接入 电力系统 电站采 用 2 2 0 k V一 回出线 将 该 电站的 电力送往 上 游 烟 岗水 电站 2 2 0 k V母线 线 路 长 1 2 k m 并 预留一 回出线 间隔位 置 根据 水 力发 电厂机 电设计 规范 规定 扩大单元回路接线 的发电机出口处必须装 设 断路器 发电机 断路器 是装设 在发 电机 和 主变之间的大电流开关 当主变发生内部故 障 时 依靠 发 电机断路 器可 以在短 时间 内迅 速 切断来 自发 电机供给 的短路 电流 避免 事 故进一步发展及扩大 发电机断路器为三相 机 械联 动 同期 操 作性 好 且 有 足够 的能 力 切 断反相 电流 另外 设 置发 电机 断路器 可 以保证机组的开停不影响厂用电系统 提高 了厂用电系统供电的可靠性 若一台发电机 事 故时 可 以及 时 切除 故 障机组 减 少停 机 范 围 防止 事故扩 大 亦 可 以减 少弃水 2跑马坪 电站发 电机 电压 回路短 路 电流参数及其特点 2 1发 电机 电压 回路短 路 电流 导体和电器设计选择设计规定 在 校核 发 电机断路 器开断能 力时 应 分别校 核 系 统源 发 电机 源在 主 弧触 头分 离 时对 称 短 路电流值 非对称短路电流值圾非对称短路 电流的直流分量值 根据 系统 机 组及 主变 的主要参 数及 电 气 主接 线 图进 行 三相 短路 电 流计 算 和短 路 电流非周期分量的计算 根据系统可能出现 的最大 短路 电流正常接 线方 式 绘 制跑 马坪 水 电站 短路计算 阻抗 图 见 图 1 计算 时 系统阻抗 由四川 I 省 电力 系统提 供 高压系统 时间常数 取 4 5 m s 水轮机厂提 供 的电气参数 如下 X d O 1 6 Xq O 1 6 6 T d 0 0 5 4 s Td 2 9 21 s T a 0 2 5 l S 根据以上参数 计算结果见表 l 2 2跑马坪电站发电机断路器的特点及要求 本 电站发 电机额定 电流 较大 另根 据计 算结果 发 电机断路器 的 系统侧 和发 电机源 短路 电流也较 大 发 电机源短 路电流 的交流 分量和直流分量的衰减规律不同 交流分量 随短路 次暂态 和暂态 时间常 数按 指数衰 减 直 流分 量则 随 电枢 短路 时 间常 数按 指数 规 律递减 当机组容量较大 直流分量衰减较 慢时 有可能出现断路器开断时 短路电流 延时过 零点 G C B在触头 分离 时 产生 很高 的 电弧 电压 增 大 电弧 电阻 使 短路 电 流直 流分 量快 速衰 减 从 而强 迫 过零 这 时就 会 产生异 常过 电压 从 而导致 电弧不 易熄 灭 从系统侧看 随着 电力系统容量增大 特别 是电站主变容量增大 主变损耗降低 使高 压 电力 系统短 路时 间常数增 大 直 流分 量衰 减 时间长 在 断路 器 开 断时 直 流分 量百 分 比增大 从计算结果看 直流分量百分比比 较大 接近规 范要求 的 1 1 0 发 电机源 和 7 5 系统源 因此 需选用 专用 的发 电机 断路器 电站发 电机 断路器 在机 械特性 额定 最 高1 二 作电压等项 目与普通断路器基本相同 发 电机 断路 器额 定 短路 关合 电 流和 额定 动 稳定 电流均 为 额定 短 路 电 流 的 2 7 4倍 发 电 机额 定失 步 开断 电流 值 为额 定短 路 开 断 电流 的 5 0 由于发 电机断路 器是利 用其绝 缘 的介 质 和灭 弧性能来 关合 和开 断电路 因 此其 回路应具 有很高 的耐压 水平 并 能承受 较高 的恢复 电压而不 致击穿 发电机 出 口短 路系统源供给短路电流 则要求瞬态恢复电 压 T R V 的上升率为 3 5 k V s 发电机源提 供 短 路 电 流 则 要 求 T R V 的 上 升 率 为 1 6 k V s 发电机断路器还有失步开断要 求 特 别是 在并 网操 作 出现两 个 电源 相 角 相 差 1 8 0 的反 相开 断 时 首开 相 断 口的暂 态恢 复电压值 会很高 另外 水 电站 开停 机 比较 频繁 因 此 发 电机 断路器对 电气 和机械 寿命均要求 较高 2 3 跑马坪水电站发电机断路器的选型原则 为保证所选购的发电机断路器具有优 2 2 8 C 2 O MW 图 1 跑马坪水电站短路计算阻抗图 表 1 跑马坪水电站短路电流计算结果 项 目 发电机 源 k A 系统源 k A 周期分 量 t O s 2 4 2 5 4 0 0 9 周 期分量 t O 0 5 s 1 8 5 7 4 0 O 9 直流分量时间常数 2 5 l 6 7 6 非周 期分量值 t O 0 5 s 2 8 1 2 2 7 O 6 非对称短路电流值 t O 0 5 s 5 4 3 5 非对称短 路 电流峰值 t O 0 1 s 6 5 0 4 直流分量 白分 比 1 0 7 1 6 6 5 1 表 2 SF 6发电机断路器主要参数表 1 额定电压 最大运行电压 k V 1 7 5 b 发电机侧 2 额 定 电流 A 8 2 o 0 对 称分 量 k A 5 O 3 额 定频率 HZ 5 0 不 对称 分量 1 3 O 4 额定 绝缘水 平 预期 瞬态恢 复 电压 k V 3 2 2 雷电冲击耐压 1 2 5 0 s 首相开断系数 1 5 相对 地和相 间 k V 1 2 5 T R V上 升率 k W s 1 8 断 口间 k V 1 2 5 振 幅 系数 1 5 b l mi n工频耐 压 干试 9 额定失 步开 断 电流 相对地 和相 间 k V 6 O 失 步角 度 l 8 0 断 口间 k V 对 称分 量 k A 4 0 5 额 定短 时耐受 电流 k A s 8 0 3 不 对称 分量 8 0 4 6 额定峰值耐受电流 k V 2 2 4 额定瞬态恢复电压 k V 4 4 7 额定短路关合和耐受电流 k V 2 2 4 峰值时间 S 1 7 8 额定短路开断电流 k A 8 0 R R R V k V s 4 1 a 系统侧 预期瞬态恢复电压 对称分 量 k A 8 O 首 相开 断系数 1 4 5 不 对称分 量 7 0 T R v上升率 k W s 4 1 预期瞬态恢复电压 k V 3 2 2 振幅系数 1 4 5 首相开断系数 1 5 1 0 空载连续操作次数 次 1 O O 0 o T R V上 升率 k W s 4 振幅 系数 1 5 良的机电性能 其必须满足以下技术要 求 满足系统最高工作电压 回路工作 电 流 短路开断电流和直流分量 的要求 设计规程要求考虑回路时间常数 瞬态 恢 复电压 失 步开断 电流和关合 电流 等 发电机断路器应能够承载发 电机最 大电流 并长期可靠运行 发电机断路 器的安装应与大电流离相封闭母线相互 配合联结 安装后 不应引起大电流母线 外壳及附近的钢构架发热 发电机断路 器必须满足短路时的动 热稳定 的要求 发 电机 断路 器应 适 合频 繁 操 作 其机 械 寿命要长 为达到上述技术要求 保证选 用 的 发 电机 断路 器 投 运 后 良好 运行 维 护简单方便 3不 同绝缘介质发电机 断路器 一 般机 组 容量 大 于 1 0 0 MW 发 电 机 出 口短路 电流在 5 0 k A及 以 上 时 采 用 S F 6 断路器 中小容量发 电机 额定短路 开 断 电流在 6 3 k A及 以下 可 采用 真空 或 S F 6发 电机断 路器 本 电站单 机容 量 6 0 M W I O 5 k V 短路 开 断 电流 为 6 4 3 4 k A 处于真空断路器和 S F 6断路器的选 用 范 围 3 1 选择安装真空发电机断路器 在 1 0 5 k V电压等级领域断路器的真 空 灭弧室 比 S F 6灭 弧室的尺寸小 开断电 弧长度能量也小 因此 使用真空发 电机断 路器每台投资比使用 S F 6发 电机断路器 省 1 5 一 2 0 左右 占地面积也相对较 小 便 于布 置 国 内厂 家生 产 的 真 空发 电机 断路 器 开断电流一般最大为 6 3 k A 不能满足本 工程设计要求 国外生产开断电流 7 5 k A 额 定 电流 5 0 0 0 A的真 空 发 电机 断路 器 较 少 大部分为 2台断路器并联 且真空发 电机断 路 器一 般安 装 在 开关 柜 中 开 关 柜 的短 时耐 受 电流一 般不 大于 6 3 k A 在 国内使用业绩屈指可数 某水电站采用 后 运 行 情 况较 差 发 热 严 重 对 电厂 日 常运行维护产生了很 大的不便 并 隐性 增 加了事故 发生几率 目前 已更换为 S F 6 发电机断路器 3 2选 择安 装 S F 6发 电机断 路器 S F 6断路器具有很好 的绝缘性和灭 弧性能 开断能力强 断 口电压做得较 高 允许连续开断次数较多 电气寿命 长 绝缘水平高 密封性能好 可免维修 从技术参数来看 S F 6 发 电机断路器各参 数均优于真空发电机断路器 可以满足 本 电站 的运行要 求 一 般实际运行中 小型电站采用真空 断 路 器 6 3 k A及 以上 中型 电站 选 用 S F 6 断路器 因此 结 合本工程 特点 选定 S F 6 断路器作 为本 电站 的发电机 出 口断路器 4跑 马坪水 电站发 电机断 路器 选型 根据跑马坪水 电站短路电流 的计算 结 果 和制造 厂 的技 术 交 流 断路 器 应 满 足额定短路开断电流交流分量有效值和 直流分量的要求 并根据本工程具有高 海拔等特点 经过招投标 最终确定为 AR E V A的 S F 6发 电机 断路 器 F K G2 M 主 要 参数 见表 2 5结语 在 选择 发 电机 断 路器 时 业 主 设 计 单位花费了较长时间 咨询科研单位及 相关专家 与制造厂沟通交流 并参观已 运 行 电 厂 实际 情 况 最 终确 定使 用 S F 6 发电机断路器 G C B短路电流开断能力是选择 G C B 的一个重 要 因素 选择 G C B时 不仅 需要 考 虑 满足 发 电机侧 的开 断要 求 同时应 满 足 系统 侧 的开 断要 求 进 行 短路 电 流 计算时 应尽可能的考虑各种情况 并尽 可能准确地计算系统侧和发电机侧的短 路 电流 包括交流分量 和非周期分量 此 外 应 与制造厂进行广泛深 入的技术交流 使业主和设计单位对投标设备技术参数 结构 对外电气连接及对土建要求 工程 业绩等有较深入的了解 陕西水利 参 考文献 1 高 压 交 流 发 电 机 断