小容量發電機出口保護用真空斷路器的選擇

劉春鳳

（西電寶光寶雞有限責任公司，陜西 寶雞 721013）

1 引言

近年來在中壓電力系統中經常會碰到發電機出口保護真空斷路器的選擇問題，由于發電機出口保護真空斷路器和配電型真空斷路器具有各自不同的特性，它們的應用環境也有所不同，也就是說它們的保護對象是不同的。如何在設計中合理選用發電機出口保護真空斷路器就成為設計人員經常遇見的問題。對于小容量（≤30MVA）發電機出口保護是否可以采用配電型真空斷路器呢？本文就這一問題進行初步的探討。

2 發電機出口保護用真空斷路器及其特性

發電機斷路器是直接聯結在發電機主回路中的斷路器[1]，可用于保護和控制電站的發電機組。發電機斷路器在電網中所處的位置和保護對象比較獨特，在許多方面都有其特殊的要求：

（1）額定值方面：發電機斷路器要求承載的額定電流特別高，要開斷的短路電流特別大，見表1-3。

（2）開斷性能方面：發電機斷路器開斷非對稱短路電流時，其直流分量衰減時間通常大于45ms，至100 ms，并有可能達到150ms。其額定短路關合電流峰值為額定短路開斷電流交流分量有效值的2.74倍（DL427-91為2.8倍）。要求具有開斷失步電流能力。

（3）瞬態恢復電壓方面：因為發電機的瞬態恢復電壓是由發電機和升壓變壓器參數決定的，而不是由系統決定的，所以其瞬態恢復電壓上升率取決于發電機和變壓器的容量等級。等級越高，瞬態恢復電壓上升得越快，見表1-3。

由此看來，發電機斷路器比配電型斷路器的要求高得多。由于以上參數的“苛刻要求”，引起發電機斷路器的制造成本較高。

表1 系統源的預期瞬態恢復電壓[1]

表2 發電機源的預期瞬態恢復電壓[1]

表3 失步開斷的預期瞬態恢復電壓[1]

3 小容量發電機組簡介

近年來，隨著環境保護意識的提高，各個城市從環保和節能方面不斷的挖掘潛力，都相繼提出了城市生活垃圾焚燒發電項目，其容量一般都為2×15MVA，接線型式為發電機變壓器單元接線且有廠用分支出線，單機容量為15MVA，接線見圖1。另外，在某些耗電量較大的工廠（如電解鋁項目等）中所設的自備電廠，其容量一般都為2×25MVA，接線型式為發電機變壓器單元接線且有廠用分支出線，單機容量為25MVA，接線同圖1。那么，是不是所有的發電機保護都需要專用的發電機斷路器呢？小于30MVA的小容量的發電機保護有沒有采用配電型斷路器的可能呢？

圖1 一次主接線圖

4 小容量發電機出口保護采用配電型真空斷路器的可行性

4.1 標準依據

GB1984-2003《高壓交流斷路器》中有這樣的描述：對于發電機回路的斷路器的考慮僅限于那些與小容量的（例如20MVA）、與中壓配電網絡連接的地方電廠，因為此類應用可能涉及到標準斷路器的使用，而不是專門的發電機斷路器[2]。

4.2 主要參數對比分析（以30MVA的發電機為例）

（1）額定電流

發電機的額定電流IF為

式中，Ue為額定電壓（kV），此處取10.5kV，P為發電機的額定功率（kVA），此處取3000kVA，cosΦ為發電機的功率因數約為0.8～0.85，此處取0.8。根據式（1）

發電機斷路器的額定電流IFB為

根據式（2）

IFB=1.05IF=1.05×2062=2165.1A。配電型斷路器額定電流目前各開關廠家都可以達到4000A，可以滿足要求。在具體選用時可取高一檔的額定電流值，如3150A（或4000A）。

（2）額定短路開斷電流及直流分量

其計算涉及的參數較多，根據短路的位置不同,斷路器有可能開斷發電機源的短路故障,也有可能開斷系統源的短路故障,本處取較為嚴重的系統源短路故障,依據表1，30MVA變壓器，其短路電流最大取16kA。直流分量額定值取80%。直流分量值達到。根據DL/T615-1997《交流高壓斷路器參數選用導則》附錄B：短路電流的計量，選擇斷路器的短路開斷電流為40kA，可計算出此時的直流分量百分數僅為。配電型斷路器直流分量目前各開關廠家都可以達到40%，可以滿足使用。在具體選用時可取高一檔的額定電流值，如40kA（或50kA）。

（3）額定短路關合電流、峰值耐受電流

發電機斷路器額定短路關合電流峰值（峰值耐受電流）為額定短路開斷電流交流分量有效值的2.74倍[1]，而配電型斷路器為2.5倍。按40kA的斷路器來核算，40×2.5/16=6.25倍，可以滿足使用。

（4）額定失步開斷電流

發電機斷路器為額定短路開斷電流交流分量有效值的50%[2]，配電型斷路器為25%。按40kA的斷路器來核算，16kA×50%/40kA=20%，可以滿足使用。在具體選用時可取高一檔的額定電流值，如40kA（或50kA）。

（5）系統源的預期瞬態恢復電壓及上升率

依據表1，發電機斷路器為22kV，3.5 kV/μs，而配電型斷路器為20.6kV，0.34kV/μs。為此必須采取限制過電壓措施。采用氧化鋅避雷器只能限制瞬態恢復電壓幅值，并不能緩解瞬態恢復電壓上升陡度，不能在發生重燃造成過電壓時保護設備，而R-C吸收裝置可以有效抑制瞬態恢復電壓上升陡度、降低重燃概率。最佳的方法是通過加裝氧化鋅避雷器和R-C阻容吸收器并聯使用，在降低瞬態恢復電壓的幅值的同時來降低瞬態恢復電壓上升率。

有關發電機出口真空斷路器抑制瞬態恢復電壓EMTP仿真計算結果如下[3]：

不加R-C吸收裝置，瞬態恢復電壓幅值49.3 kV，斷口瞬態恢復電壓陡度4.042 kV/μs；

加R-C吸收裝置，瞬態恢復電壓幅值18.9kV，斷口瞬態恢復電壓陡度0.472 kV/μs。

從以上計算結果可以看出，通過加裝R-C吸收裝置，瞬態恢復電壓上升率降低至0.472 kV/μs（已接近于配電型斷路器的0.34 kV/μs），瞬態恢復電壓幅值降至18.9kV（已低于于配電型斷路器的20.6 kV）。對于小于30MVA的小容量的發電機，其值應該更小。

（6）失步開斷的預期瞬態恢復電壓及上升率

發電機斷路器依據表2為30kV，3.3 kV/μs，配電型斷路器為30.6kV，0.26kV/μs，解決措施同4.2.5,通過加裝氧化鋅避雷器和R-C阻容吸收器并聯使用，在降低瞬態恢復電壓的幅值的同時來降低瞬態恢復電壓上升率。

（7）時間常數

發電機斷路器開斷非對稱短路電流時，其直流分量衰減時間通常大于45～100 ms，并有可能達到150ms。在短路電流要求小于斷路器的額定短路開斷電流的R10系列中至少一個等級的情況下，按45ms的時間常數試驗過的斷路器可以滿足更高時間常數的要求。例如，按45ms時間常數試驗的50 kA的斷路器可以判定其對于40 kA且具有更高時間常數的場合足夠[2]，其實質上是考核斷路器開斷直流分量的能力，與（2）要求相同。

5 結論

從以上的分析可以初步確定通過加裝相應的過電壓吸收裝置，在30MVA以下的小容量發電站完全可以選用配電型真空斷路器用于發電機出口保護，只要求其額定電流為3150A，額定短路開斷電流為40kA（或50 kA）。這樣的選擇具有設備投入低、操作維修方便的特點。具體的真空斷路器參數選擇可以參照發電機的容量及上面的計算和分析。以上分析是基于小容量、接線型式為發電機變壓器單元接線且有廠用分支出線或發電機直配線方式，對于其他方式需另行探討。

[1] 中華人民共和國國家標準．GB/T14824-1993發電機斷路器通用技術條件.北京：中國標準出版社,1994.

[2] 中華人民共和國國家標準.GB1984-2003高壓交流斷路器[S].北京.中國標準出版社,2003.

[3] 張萬榮.發電機出口真空斷路器瞬態恢復電壓的研究[J].高壓電器,2000(4).