中小型水轮发电机断路器的选择分析

1、文章编号 :1007-2284(2003 11-0091-02中小型水轮发电机断路器的选择分析穆 建 军(湖南省水利水电勘测设 计研究院 , 湖南 长沙 410007摘 要 :通过对发电机断路器与一般型断路 器的性能比较和分析 , 提出 对中 、 小 型水轮发 电机选用 专用发 电机断 路 器的必要性及重要性 , 并对发电机断路器的选择 作了简要分析 , 提出了在选型过程中需要注意的事项 。关键词 :水轮发电机 ; 发电机断路器 ; 过电压 ; 选择分析中图分类号 :T V 742 文献标识码 :B1 问题的提出随着科 学技术的不断 发展 和人们 对发 电设 备安全 意识 的 不断提高 , 发

2、电机专用断路器的使用和 选择越来 越引起人们 的 关注和重视 , 特别是对于大型和超大型 水轮发电 机出口断路 器 的选择尤为重视。发电机出口断路器如果 选择不当 , 会对断 路 器本身乃至发电机和其他 连接 于发电 机回 路的 电气设 备造 成 严重的危害和不可 估量 的损 失 , 如发生 断路 器爆炸、 发 电机 烧 毁、 励磁变及厂用变烧毁等严重事故 , 并将使事故扩大化。 对中小型水轮发电机而言 , 过去大 都选用普 通型的油断 路 器、 真空断路器、 SF 6断路器等 , 特别是近几年 , 选用普通真空 断 路器的越来 越多 , 这 样的选 择不符 合国 标 GB/T 14824-9

3、3 发 电机断路器的通用技术 条件 及 行业 标准 DL427-91 户内 型 发电机断路 器订货技术条 件 的 要求 , 也不 符合 国际上 的通 用 标准 , 但均未能对此引起各方的足够 重视。由于 发电机断路 器 价格昂贵 , 资料较少 , 宣传不够 , 以致业 主及技术 人员对其性 能 和作用了解不够 , 限制了发电机断路 器的推广 应用。由于国 内 对发电机断路器 的研 究 推广 力度 不 大 , 导致 其 型号 和品 种 单 一 , 使设计人员和业主 选择 的余 地较少 , 产 品难 以形成 市场 竞 争力 , 进一步限制了发电机断路器的推广应用 。2 发电机断路器的基本概念所谓发

4、 电机断路器就 是指 连结在 发电 机主 回路中 的三 相 断路器。有 些标准 如美 国 AN SI/IEEEC37. 013及 我国 电力 行 业标准 DL 427-91, 还把发电机分支回路 (如厂用电回路、 馈线 回路 中使用的断路器也列为发电机 断路器 , 其理由为 , 虽然 发 电机分支回路的断 路器 额定 电流不 大 , 但其 开断电 流大 , 瞬 态 恢复电压上升率大 , 要求非对称开断 的直流分 量大。这种观 点 从某个方面来讲是正确的。但笔者认为作 为中、 小型水轮发 电 机 , 虽然厂用电回路、 馈线 回路 切断来 自系 统及 机组的 短路 电 流时 , 其开断 电流 值相

5、 对 较大 , 但 当 母线 系统 发 生短 路时 , 首收稿日期 :2003-05-29:(, 男 , 先将切断发电机回路开关和主变低压侧开 关 , 因 此短路电流 及 其直流分量不经过该开关。如在此开关外 侧发生三相 短路时 , 所有短路电流均经过该开关 , 这种情况 下虽然相 当于发电机 断 路器 , 但在中、 小 水电 站 中 , 馈线 回 路一 般均 设 置有 隔离 变 压 器 , 并且就近布置 , 厂用变的布置也与高压 柜靠近或距 离很短 , 且大部分采用阻燃 高压 电缆 连接 , 且正 常情 况下 , 近区 变压 器 均带较轻的负荷运 行 , 发生 三相 短路的 机会 极少 ;

6、加之 中小 水 电站大多为企业 投 资 或合 股 投资 建 设 , 资 金不 充 裕。综 上 所 述 , 笔者认为在中小型 水电 站中 , 将发 电机 断路 器定义 为与 发 电机主回路直连的三相断路器较为合适 , 既保证 了主设备的 安 全运行 , 又节省了设备投资。3 发电机断路器的特点发电机断路器直连于发电机主回路中 , 主要 用于保护电 站 的主要设备 水轮发电机组。由于发电 机本身的电 感量大 , 操作频繁 , 使发电机断 路器 回路 具有恢 复电 压高、 直流 分量 大 等一系列特 点 , 而在一 般型 断路 器的回 路中 , 则 没有这 些现 象 发生。也有 一种观点认为 , 发

7、电机断路 器与一般 型断路器的 不 同仅在于其额定电 流大、 开 断短 路电流 大以 及直流 分量 高 , 只 要这 3个指 标均达到选择的要求 , 就可 用一般型 断路器代替 发 电机断路器。目前 , 在 发 电机 断 路 器尚 未 被广 泛 使用 的 情 况 下 , 持这种观点的人还不在少数。发电 机断路器 与一般型断 路 器的主要区别和特点如下。(1 额定峰值耐受电流及额定关 合电流。发 电机断路器 的 国际为 2. 7倍额定 开断 电流、 部标 为 2. 8倍 额定开 断电 流 ; 而 一般型断路器为 2. 5倍额定开断电流。(2 额定短路开断电流及瞬态恢 复电压。 额定短路开 断 电

8、流。发电机断路器为非对称开断时较一 般型容易 , 而一般 型 断路器对称短路开断容易 ; 发电机断路 器分系统 源开断和发 电 机源开断两种 , 其性质不同。而一般型 断路器不 区分系统源 开 断和发电机源开断 , 条件简单。 开 断直流分 量。发电机断 路 器系统源 :60%80%, 发电 机源 :110%130%; 一般 型断 路 器的开断直流分量为 35%40%。 首相开 断系 数。发电 机 1. 发 电机源91中国农村水利水电 2003年第 11期发电机断路器 大于 或等于 1. 6kV/ s, 系统 源大于 或 等于 3. 5 kV / s; 而一般型断 路 器 不区 分 发电 机

9、源和 系 统 源均 为 0. 34 kV / s; 电压幅值。发电机断路器为 1. 84Vm, 而一般型断 路 器为 1. 71Vm 。(3 额定失步开断电流及瞬态恢 复电压。 额定失步开 断 电流。发电 机断路器为额 定短 路开断 电流 交流 分量有 效值 的 50%; 而一般型断路器无规定。 开 断直流分 量。发电机断 路 器小于或等 于 20%; 而一 般型 断路 器无 规定。 首 相开 断 系 数。发电机断路器对 12kV 规定为 1. 5, 而一般型 断路器对 12 kV 未作规定 , 对 110kV 及以上规定为 1. 4。 上升陡度 (率 。 发电机断路器大于或等于 3. 3kV

10、 / s, 而一般 型断路 器为 0. 26 kV / s 。(4 开断负荷电流时瞬态 恢复电压。 首 相开断系 数。发 电机断路器为 1. 5, 而一般型断路器无规定。 上升陡度 (率 。 发电机断路器大于或等于 1kV / s, 而一般型断路器无规定。 发电机断路器与一般型断路器有很多 不同点 , 它充分考 虑 和适应了用于保护发电机这一特殊主要设 备的功能 , 并非一 般 型断路器所能代替。4 发电机断路器的选择发电机断路器与普通型断路器的选择 方法基本相 同 , 即 按 额定电压、 额定电流、 额 定开 断电流、 额 定关 合电流、 热 稳定 电 流等参数进行选择 , 不 同的 是需

11、要对非 对称 开断电 流、 失步 开 断电流及如何防止过电压的发生等进行进 一步的校验 , 在设 计 选型中 , 对此校验易于忽略。4. 1 非对称开断时开断电流对非对称开断能力必须从两个方面进 行界定和判 断 , 一 是 额定开断能 力 , 二是切 断直 流分 量的能 力 , 这是 发电机 断路 器 的主要特点 之一。开 断非对称短路 , 对 任何断路 器都是比较 困 难的 , 其原因一是非对称开断时的总电 流比对称 开断时的电 流 大得多 , 以 50kA 的 DC 为 75%时为 例 , 其总电 流为 73kA (不 对称比值为 1. 46 ; 二是直流 分量大 , 短 路电流衰 减慢

12、, 延长 了 电流过零的 时间 , 不利 于灭 弧 , 但发电 机断 路器 充分考 虑了 这 一点。普通技术人员往往对直流分量的计 算重视不够 , 在此 提 出 2种计算直流分量的方法供参考。(1 查曲线 法。根 据发 电机 断路 器的 分闸 时间 加上 0. 01 s, 查 GB/T 14824-93中的 曲线 可得 直流 分量 的百 分数。 如 分闸时间为 32ms, 加上 0. 01s, 总时间为 42ms, 查 曲线得直流 分量的百分数为 67%, 但此 直流 分 量为 所有 短路 电流 的百 分 值 , 并未分清发电机源和系统源各自的直流分 量。(2 计算法。根据短 路电 流计 算规

13、 则 , 计算 (t +0. 01s 时 的非周期分量及全电流 , 其直流 分量百分 数为 i f z t /I t 100%, 其中 i f z t 为非周期分量 , I t 为全电 流 , 也 可按发 电机源 和系统 源 分别进行计算 , 这根据需要来定。按照上 述方法均可求 得在 短路时 断路 器切 断短路 电流 的 直流分量值 , 并可以此为基础对断路器提出技 术要求。4. 2 失步开断时开断电流失步开断是指电网与电站失 步时 , 要求 断路器 迅速将 这 2个系统分开 , 失步开断实际上也属于非对称开 断的一种。一般型断路器通常只要求在 110kV 以上电 压等级时才 做 失步开断

14、, 其 直流 分量 也仅 为 20%。 发电 机与 系统 同属 频 率 源 , 而较多采用的是发 电机 侧同 期 , 因 此失 步情 况是不 可避 免 的 , 在这种情况下 , 就必须 考虑 失步开 断时 发电 机断路 器能 否 正常工作的条件。国家标准规定 , 发电 机断路器 的额定失步 对 称电流交流分量为额定短路开断电流交流分量有效值的 50%, 直流分量应不大于 20%。在进行此电流校核时 , 应以发电机或 系统提供的最大短 路电 流进 行校核 , 如 达不 到要求 , 则 应要 求 生产厂家进行补充试验或提出保证值。5 防止过电压的对策截波电流值及随后产生的过电压的大 小取决于断 路

15、器、 系 统分量及系统各参数。 SF 6自吹式发电 机断路器 的电流截波 水 平较低 , 一般不会产生截波过电压 , 但真空 断路器 , 从目前各 厂 家提供的截流值来看 , 大约在 25A, 极易产 生截波 过电压 和 重燃过电压 , 从而损坏 发电 机及 其他电 气设 备 , 因此有 必要 采 取措施限制截波过电 压的陡 度及 幅值。在 选择 发电机 断路 器 时 , 除选用低截流水平 的断 路器 外 , 一 般情 况下 应采用 避雷 器 或氧化锌压敏电阻或 阻容吸 收装 置来限 制截 波过 电压。避 雷 器由于残压水平高 , 很 难与 发电 机的绝 缘相 配合 , 且只 能限 制 过电压

16、的幅值 , 因此 在欧美 及日 本研制 成功 了阻容 吸收 装置 , 目前国内也在大量使用该装置 , 但现在 研制出的 阻容吸收装 置 大多数适合于配电网络 , 而真正能用于 发电机断 路器的阻容 吸 收装置却很 少 , 设计人 员在 选用 阻容吸 收装 置时 , 应注 意正 确 选择 , 不可滥用 , 否则不但起不到保护作用 , 还有 可能引起阻 容 吸收装置损坏 , 导致更大的事故发生。6 结 语通过以上分析 , 可以看出发电机断 路器与一 般型断路器 有 共同点 , 但更重要的是 不同 点 , 它充分 考虑 了发 电机回 路的 特 点和真实情况 , 能有效地保护电站主要设备和 安全运行。 (1 根据发电机回 路切 断负 荷电流 及短 路电流 的特 点 , 应 正确区分一般型断路器与发电机专用断路 器 , 因 此在中型及 较 重要的发电机回路应采用发电机专用断路器。(2 在选择发电机 断路 器时 , 应对 发电 机源 及系统 源的 直 流分量进行计算 , 在订货时应对厂家提出技术 要求。(3 如发电机出口选用真空断路器 , 应采取措施限制截波过电 压和重燃过电压的幅值和陡度 , 以有效地保护断路器和发电机。 (4 生产厂家应尽快研制出适合于 中小型发 电机的发电 机 专用断路器 , 以适应市场的需求和保护国家财 产