发电机出口断路器选型

- 1 - 发电机出口真空断路器的选型发电机出口真空断路器的选型 近几年来近几年来, 真空断路器在中压输配电领域得到了飞速发展真空断路器在中压输配电领域得到了飞速发展, 占据了该领域的绝对市场优势占据了该领域的绝对市场优势. 同 时针对于发电机出口应用场合 同 时针对于发电机出口应用场合, 也有了长足的进步也有了长足的进步, 特别是近年来国内中小型水电站特别是近年来国内中小型水电站 (发电机组单发电机组单 机容量机容量=100MW) 原有少油出口断路器原有少油出口断路器 SN4 改造项目改造项目, 真空断路器以压倒性的优势取代了真空断路器以压倒性的优势取代了 SF6 断路器断路器. 综合其原因主要有以下几点综合其原因主要有以下几点: 1. 可靠安全的机械和电气性能可靠安全的机械和电气性能 2. 较长的机械和电气操作寿命较长的机械和电气操作寿命 3. 最高的经济性，节省投资最高的经济性，节省投资 4. 节省空间，节省空间， 电网改造的最佳方案电网改造的最佳方案 5. 彻底免维护彻底免维护 6. 较短的交货期较短的交货期 7. 无潜在的腐蚀和有毒的气体分解物无潜在的腐蚀和有毒的气体分解物 德国西门子公司于德国西门子公司于 1988 年向国内提供了首例应用年向国内提供了首例应用, 安装于云南卢布革水电站安装于云南卢布革水电站, 型号为型号为 3AH3, 额定容量为额定容量为 12kV/6,300A/40kA. 但发电机出口场合不同于一般的中压配电应用但发电机出口场合不同于一般的中压配电应用, 就断路器型式试验而言就断路器型式试验而言, 国内试验站无论国内试验站无论 是西高所是西高所, 沈高所沈高所,以及北京电科院以及北京电科院, 由于受到试验设备限制由于受到试验设备限制, 所执行的标准均为所执行的标准均为 GB1984 或者或者 DL402. 无法对国际通用的无法对国际通用的 IEEE/ANSI std C37.013以对称电流为基础的交流高压以对称电流为基础的交流高压 发电机断路器标准发电机断路器标准规定的试验项目进行验证规定的试验项目进行验证, 就国内相应标准而言就国内相应标准而言, 则为则为 DL427 以及以及 GB/T14824. 以下列举其与以下列举其与 GB1984/DL402 的主要区别的主要区别; 1. 主触头极限温升主触头极限温升 2. ANSI/IEEE C37.013 触头表面触头表面 允许温升允许温升 K 温度极限值温度极限值 C 银银, 银合金或等同物银合金或等同物 65 105 铜铜 30 70 GB1984/DL402 触头表面触头表面 允许温升允许温升 K 温度极限值温度极限值 C 银银, 银合金或等同物银合金或等同物 75 115 铜铜 35 75 3. 额定电流下导电连接处的极限温升额定电流下导电连接处的极限温升 ANSI/IEEE C37.013 触头表面触头表面 允许温升允许温升 K 温度极限值温度极限值 C 银银, 银合金或等同物银合金或等同物 65 105 铜铜 30 70 GB1984/DL402 Page 2 of 6 of Letter dated 22/02/2004 to Our reference: - 2 - 触头表面触头表面 允许温升允许温升 K 温度极限值温度极限值 C 银银, 银合金或等同物银合金或等同物 75 115 铜铜 50 90 4. 多相短路非对称开断能力多相短路非对称开断能力 ANSI/IEEE C37.013 当当 X/R=50,发电机断路器主触头分离时间为发电机断路器主触头分离时间为 4 周波时周波时,非对称开断能力与对称开断能力的比值保守估 计为 非对称开断能力与对称开断能力的比值保守估 计为 1.32, 系统源故障时系统源故障时, 直流分量保守值为直流分量保守值为 50%; 发电机源侧短路时则可超过发电机源侧短路时则可超过 100%. GB1984/DL402 以分闸时间为以分闸时间为 3 周波计算周波计算, 则直流分量试验值通常为则直流分量试验值通常为 30%左右左右 5. 额定固有暂态恢复电压额定固有暂态恢复电压 (TRV) 及上升速率及上升速率 (RRRV) ANSI/IEEE C37.013 系统源故障系统源故障 变压器额定容量变压器额定容量 (MVA) TRV (kV) RRRV (kV/us) =100 1.84U 3.5 101200 1.84U 4.0 202400 1.84U 4.5 发电机源故障发电机源故障 发电机额定容量发电机额定容量 (MVA) TRV (kV) RRRV (kV/us) =100 1.84U 1.6 101200 1.84U 1.8 202400 1.84U 2.0 失步开断失步开断 变压器额定容量变压器额定容量 (MVA) TRV (kV) RRRV (kV/us) =100 2.6U 3.3 101200 2.6U 4.1 202400 2.6U 4.7 U-发电机断路器额定最高电压发电机断路器额定最高电压 变压器额定容量变压器额定容量 (MVA) TRV (kV) RRRV (kV/us) =100 2.6U 3.3 101200 2.6U 4.1 202400 2.6U 4.7 GB1984/DL402 额定电压额定电压 试验方式试验方式 TRV (kV) RRRV (kV/us) 7.2kV 4 (100%Isc) 19.7 0.24 12 4 (100%Isc) 11.8 0.34 纵观目前国内应用的国际知名品牌以及国产真空断路器纵观目前国内应用的国际知名品牌以及国产真空断路器, 就发电机应用场合来说就发电机应用场合来说, 基本情况如下基本情况如下: Page 3 of 6 of Letter dated 22/02/2004 to Our reference: - 3 - ABB 公司由于其真空断路器受到额定容量限制公司由于其真空断路器受到额定容量限制 (最大至最大至 50kA/3150A), 很少涉足于此领域很少涉足于此领域; ALSTOM 公司由于其真空断路器技术参数存在缺陷公司由于其真空断路器技术参数存在缺陷 (如直流分量仅为如直流分量仅为 20%, 分闸时间较长等分闸时间较长等), 无法 满足应用要求 无法 满足应用要求; 国产品牌如北开国产品牌如北开, 天水等天水等, 其发电机出口断路器为新开发产品其发电机出口断路器为新开发产品, 产品技术稳定产品技术稳定 性有待考验性有待考验, 试验标准试验标准 无法满足无法满足 ANSI/IEEE 标准要求参数标准要求参数, 国内使用业绩鲜见国内使用业绩鲜见, 在此类极具重要性的场合在此类极具重要性的场合, 目前不推荐作为目前不推荐作为 使用产品使用产品; 西门子公司于西门子公司于 80 年代末向全球市场推广发电机出口真空断路器以来年代末向全球市场推广发电机出口真空断路器以来, 至今已有超过至今已有超过 1,500 台在全世 界范围内安全运行 台在全世 界范围内安全运行.国内业绩自国内业绩自 1995 年后不完全统计已经达到年后不完全统计已经达到 234 台台, 其中大部分运行于水电厂其中大部分运行于水电厂, 其 成熟性和稳定性得到了一致公认 其 成熟性和稳定性得到了一致公认. 3AH 系列真空断路器是西门子公司系列真空断路器是西门子公司 90 年代中期推向全球市场的新型产品年代中期推向全球市场的新型产品. 它以原有它以原有 3AF 真空断路 器 真空断路 器 (机电寿命机电寿命 30,000 次次)为原形为原形, 在其基础上采用了新型的真空灭弧室在其基础上采用了新型的真空灭弧室 (截流值标准从截流值标准从 5A 控制到了控制到了 3A 以内为重要特征之一以内为重要特征之一), 并且对原有弹簧操作机构作了进一步精简并且对原有弹簧操作机构作了进一步精简 ,提高了零部件配合加工和配合 精度以及采用了新型的耐磨损材料 提高了零部件配合加工和配合 精度以及采用了新型的耐磨损材料. 保留了其一贯动作可靠的特点保留了其一贯动作可靠的特点, 并且首先在全球对真空断路器提 出了免维护概念 并且首先在全球对真空断路器提 出了免维护概念. 免维护概念的倡导是西门子公司作为在中压开关领域领导者的一个重要标志免维护概念的倡导是西门子公司作为在中压开关领域领导者的一个重要标志. 其主 要特点如下 其主 要特点如下: 1. 世界领先的截流值水平世界领先的截流值水平 3A 对于真空断路器而言对于真空断路器而言, 截流值是体现其性能水平的重要标志之一截流值是体现其性能水平的重要标志之一. 它直接影响真空断路器对于开断它直接影响真空断路器对于开断 小电感电流负载的过电压水平小电感电流负载的过电压水平 (截流过电压截流过电压 U=k*I*rootL/C, 其中其中 k 为衰减系数为衰减系数, rootL/C 为系统波阻 抗 为系统波阻 抗, I 为截流值为截流值, 前面两项参数由系统本身所决定前面两项参数由系统本身所决定, 而截流值而截流值 I 则取决于不同制造水平的真空断路器则取决于不同制造水平的真空断路器).西 门子承偌在切合空载变压器等小电感电流负荷情况下 西 门子承偌在切合空载变压器等小电感电流负荷情况下, 过电压倍数可限制在过电压倍数可限制在 2.1p.u 以下以下, 从而保证不 会产生危害其他电气设备的危险过电压 从而保证不 会产生危害其他电气设备的危险过电压. 附附: 试验报告试验报告 TVS 2448 及总结陈述及总结陈述. 2. 可满足极高的可满足极高的 RRRV 试验报告试验报告 TVM2/2867E 清楚表明了西门子真空断路器清楚表明了西门子真空断路器 17.5KkV/63kA 成功通过了成功通过了 TRV (30kV), RRRV(18kV/us), 短路电流短路电流 63kA 的型式试验的型式试验, 试验标准为试验标准为 IEEE C37.013-1989.由于采用相同的触头材料由于采用相同的触头材料, 所以以上试验报告中所以以上试验报告中 RRRV 值适用于其 他型号所有西门子真空断路器 值适用于其 他型号所有西门子真空断路器. 瞬态恢复电压上升率瞬态恢复电压上升率 (RRRV)同样具有重要意义同样具有重要意义, 当介质强度恢复速度低于瞬态恢复电压上升速率时当介质强度恢复速度低于瞬态恢复电压上升速率时, 断路器断口就会发生复燃断路器断口就会发生复燃. 尤其在发电机出口短路等场合开断时尤其在发电机出口短路等场合开断时, RRRV 值可达值可达 4.0kV/us, 若此时断 路器断口介质恢复不能满足 若此时断 路器断口介质恢复不能满足 RRRV 的要求的要求, 断路器就有可能发生高频重燃断路器就有可能发生高频重燃, 以致产生危害极大的高频 重燃过电压 以致产生危害极大的高频 重燃过电压. 3. 可满足对于直流分量的要求可满足对于直流分量的要求 西门子西门子 3AH38 (17.5/63kA)型真空断路器在开断额定短路电流型真空断路器在开断额定短路电流 63kA 时时, 直流分量可达直流分量可达 76%; 3AH3AH3028/3128/3178/3228 型真空断路器在开断额定短路电流型真空断路器在开断额定短路电流 63kA 时时, 直流分量可达直流分量可达 60%; Page 4 of 6 of Letter dated 22/02/2004 to Our reference: - 4 - 3AH3057/3117/3167/3217 型真空断路器在开断额定短路电流型真空断路器在开断额定短路电流 50kA 时时, 直流分量可达直流分量可达 60%; 3AH1116/1166/1216 型真空断路器在开断额定短路电流型真空断路器在开断额定短路电流 40kA 时时, 直流分量可达直流分量可达 60%; 以上断路器完全能满足此类应用场合的要求以上断路器完全能满足此类应用场合的要求. 4. 极高的额定短路开断次数极高的额定短路开断次数 西门子西门子 3AH38 (17.5/63kA)/3228 型真空断路器在开断额定短路电流型真空断路器在开断额定短路电流 63kA 时时, 开断次数达开断次数达 30 次次; 3AH3AH3028/3128/3178 型真空断路器在开断额定短路电流型真空断路器在开断额定短路电流 63kA 时时, 开断次数达开断次数达 50 次次; 3AH3057/3117/3167/3217 型真空断路器在开断额定短路电流型真空断路器在开断额定短路电流 50kA 时时, 开断次数达开断次数达 50 次次; 3AH1116/1166/1216 型真空断路器在开断额定短路电流型真空断路器在开断额定短路电流 40kA 时时, 开断次数达开断次数达 50 次次; 以上所有断路器机电寿命均为以上所有断路器机电寿命均为 10,000 次次 5. 广泛而可靠的运行业绩广泛而可靠的运行业绩 无论是起始于无论是起始于 80 年代末年代末 90 年代初的初期应用年代初的初期应用 (东北电网红石水电站等东北电网红石水电站等), 还是最近几年在广西还是最近几年在广西, 广东广东, 福建福建, 四川等地大量的水电站运行业绩四川等地大量的水电站运行业绩, 都表明了西门子都表明了西门子 3AH 真空断路器性能是极其可靠而出色真空断路器性能是极其可靠而出色. 6. 完善的售后服务体系完善的售后服务体系. 西门子西门子(中国中国)有限公司在上海设有输配电集团中压开关元件技术支持部有限公司在上海设有输配电集团中压开关元件技术支持部, 经德国总部多次培训的资深 专业工程师可随时向用户提供一流的服务 经德国总部多次培训的资深 专业工程师可随时向用户提供一流的服务, 一旦应用户需要一旦应用户需要, 可在最短时间内赶赴至现场解决问题可在最短时间内赶赴至现场解决问题. 售后服务热线售后服务热线综上所述综上所述, 作为及其重要的发电机出口场合作为及其重要的发电机出口场合, 产品选型必须极其谨慎产品选型必须极其谨慎, 否则否则, 一旦出现机组停机一旦出现机组停机 现象现象, 损失将不可估量损失将不可估量. 西门子真空断路器以其卓越的性能西门子真空断路器以其卓越的性能, 能够完全胜任其应用能够完全胜任其应用. 附附: 1. 直流分量浅析直流分量浅析 对于断路器开断短路电流的考核对于断路器开断短路电流的考核, 严格意义上应分为对称短路电流以及非对称短路电流严格意义上应分为对称短路电流以及非对称短路电流. 对称 短路电流仅局限于短路电流的周期分量 对称 短路电流仅局限于短路电流的周期分量, 非对称短路电流为周期分量以及直流分量之和非对称短路电流为周期分量以及直流分量之和. GB1984 以及以及 DL403 标准针对断路器型式短路开断试验有如下要求标准针对断路器型式短路开断试验有如下要求: 试验方式试验方式 14 (主要考核对称短路电流开断能力主要考核对称短路电流开断能力)中中, 开断电流的直流分量不得超过开断电流的直流分量不得超过 20%. 原因如下原因如下: 在开断电流周期分量相等的情况下在开断电流周期分量相等的情况下, 非周期分量非周期分量 (直流分量直流分量)的存在的存在, 虽然有可能提高触头分离瞬间的虽然有可能提高触头分离瞬间的 短路电流瞬间值短路电流瞬间值, 但它在某种程度上却有利于的开断但它在某种程度上却有利于的开断. 这是因为这是因为, 当短路电流中存在非周期分量时当短路电流中存在非周期分量时, 不 管是电弧在大半波过零或小半波过零时熄灭 不 管是电弧在大半波过零或小半波过零时熄灭, 断口所受的瞬态工频恢复电压均比无周期分量时要小断口所受的瞬态工频恢复电压均比无周期分量时要小. 电力系统三相短路电流电力系统三相短路电流, 最严酷情况下冲击电流计算结果如下最严酷情况下冲击电流计算结果如下: ia= -Ipmcos t + Ipme-t/Ta Page 5 of 6 of Letter dated 22/02/2004 to Our reference: - 5 - 根据短路电流波形根据短路电流波形, 短路电流的最大值即短路冲击电流将在短路发生后半波时出现短路电流的最大值即短路冲击电流将在短路发生后半波时出现, 当当 f=50Hz 时时, 其 值为 其 值为 0.01 秒秒, 可得冲击电流计算式为可得冲击电流计算式为: (1+e-0.01/Ta) Ipm=kim Ipm 通常情况下通常情况下, 当短路发生于发电机出口时当短路发生于发电机出口时, 取取 kim= 1.9; 于电厂电站中心时于电厂电站中心时, 取取 kim= 1.85; 于其他地 点短路时 于其他地 点短路时, 取取 kim= 1.8, 此时峰值电流为此时峰值电流为 1.8*Root2*Isc=2.55Isc. 其中其中 Ta=L/R, 电网固定参数电网固定参数; 由以上方程式可得由以上方程式可得, 三相短路电流的全电流取决于周期分量以及非周期分量三相短路电流的全电流取决于周期分量以及非周期分量, 其中非周期分量又取决 于触头分离时刻以及电网固定参数 其中非周期分量又取决 于触头分离时刻以及电网固定参数 Ta 因此因此 1. GB1984 以及以及 DL402 又有如下规定又有如下规定: 对于时间间隔对于时间间隔 (断路器最小分闸时间断路器最小分闸时间+10ms)不大于不大于 70ms 的断路器必须进行方式的断路器必须进行方式 5 试验试验 (包括方式包括方式 14).试验方式试验方式 5 应以应以 100%的额定短路电流的额定短路电流, 直流分量等于值所对应的规定值直流分量等于值所对应的规定值. 对于用在直流分量可能大于对于用在直流分量可能大于 GB1984 以及以及 DL402 中相应规定值的场合中相应规定值的场合 (如发电机出口以及如发电机出口以及 发电站中心附近发电站中心附近) 的断路器的断路器, 试验应由制造厂协商试验应由制造厂协商. 2. TRV 及及 RRRV 浅析浅析 断路器用以开断短路电流时断路器用以开断短路电流时, 开断过程中出现的电弧可能在交流电流过零时自然熄灭开断过程中出现的电弧可能在交流电流过零时自然熄灭. 由于电弧一经 形成 由于电弧一经 形成,断口间的介质就会因电弧放电而强烈游离断口间的介质就会因电弧放电而强烈游离, 因此在电流过零电弧自然熄灭后因此在电流过零电弧自然熄灭后, 断口间的绝缘不能 立即恢复 断口间的绝缘不能 立即恢复.当断口恢复电压高于介质强度时当断口恢复电压高于介质强度时, 电弧就会复燃电弧就会复燃. 电流过零后断口绝缘性能即介质强度的恢复电流过零后断口绝缘性能即介质强度的恢复, 以及在断口两端出现的外施电压即恢复电压是影响断路 器开断性能的两个重要因素 以及在断口两端出现的外施电压即恢复电压是影响断路 器开断性能的两个重要因素. 短路故障电路大多为电感电阻性电路短路故障电路大多为电感电阻性电路, 电流过零时电路中断电流过零时电路中断, 电源电压全部加在触头电源电压全部加在触头 (弧隙弧隙) 两端两端, 弧 隙上的电压恢复过程将是由电弧电压上升到电源电压的这样一个过渡过程 弧 隙上的电压恢复过程将是由电弧电压上升到电源电压的这样一个过渡过程. 在实际电路中在实际电路中, 弧隙间总 有电容的存在 弧隙间总 有电容的存在, 弧隙电压不可能突变弧隙电压不可能突变, 电压恢复过程将是是带有周期性的振荡过程电压恢复过程将是是带有周期性的振荡过程. 电压恢复过程中电压恢复过程中, 首先出现在弧隙两端的是具有瞬态特性的电压首先出现在弧隙两端的是具有瞬态特性的电压, 称为瞬态恢复电压称为瞬态恢复电压, 瞬态恢复电压存瞬态恢复电压存 在的时间很短在的时间很短, 通常为几十微秒至几毫秒通常为几十微秒至几毫秒. 瞬态恢复电压消失后瞬态恢复电压消失后, 弧隙两端出现的是由工频电源决定的弧隙两端出现的是由工频电源