發電機出口斷路器的系統設計和應用

周利

摘要：隨著節能降耗工作的不斷開展，鋼鐵企業生產過程中副產煤氣資源和低溫余熱等的綜合利用來發電成為必然。文章發從實際設計和應用出發，總結了發電機出口斷路器在從重鋼新區自發電系統中得應用和好處，為類似自備電廠提供設計參考。

關鍵詞：發電機短路；出口斷路器；發電機系統設計

中圖分類號：TU990 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）10-0024-02

重鋼環保搬遷后，將實現鋼產850萬噸左右。在當前電力供應緊張的形勢下，隨著節能降耗工作的不斷深入開展，鋼鐵企業生產過程中副產煤氣資源和低溫余熱等的綜合利用來發電成為必然。重鋼長壽新區總的發電機組容量將達約480MW。發電機組容量一般在12～28.5MW內（個別搬遷的發電機組容量為50MW），發電機組的臺數約20臺，就近分散安裝在各并網點。發電機數量眾多，將帶來短路電流大、直流分量持續時間長等不利于供電系統穩定的因素。下面以重鋼長壽新區CCPP-CDQ項目CCPP區域的10kVⅡ段上的三菱燃機發電機組及其配套的汽輪機組為例進行分析和應用。

1 發電機短路的計算結果和特點

1.1 發電機組的主要參數如下表

1.2 系統接線示意圖和短路電流計算電抗圖

CCPP區域發電機系統10kVⅡ段上的系統接線示意圖見圖1；電抗圖見圖2（括號內為系統最小運行時的系統阻抗。

1.3 發電機短路的計算結果

d2點短路時，由于電抗器的限流作用，最大短路電流小于20kA。本次主要計算d1點短時，系統和發電機提供的周期和非周期電流分量。

直流分量衰減時間常數經計算如下：3#發電機的直流分量衰減時間常數約297毫秒；4#發電機的直流分量衰減時間常數約208毫秒。根據規范要求，直流分量衰減時間常數大于60毫秒就必須校驗斷路器直流分量的分斷能力。

1.4 發電機短路的特點

（1）直流分量衰減時間常數較大，直流分量衰減慢，短路電流有經數百毫秒也不通過零點的情況；

（2）瞬態恢復電壓上升速率大，交流電弧過零后復燃可能性大；

（3）存在失步開斷問題：失步狀況是在斷路器操作瞬間，由于發電機和電力系統之間失去同步或達不到同步而引起的一種不正常回路狀況。此時在斷路器兩邊電壓的旋轉向量之間出現了相位差，這種相位差有可能超過正常值，甚至高達180°。顯然，在失步狀態下，斷路器的合分能力將下降。這對發電機斷路器將提出苛刻的條件。在全反相開斷（失步角180°）情況下，額定失步開斷值為額定短路開斷電流值的25%。如果不考慮全反相開斷，例如，僅設定最大失步角為90°，其額定失步開斷電流用不大于額定開斷電流的50%。失步故障電流雖然較小，但恢復電壓較高（中性點不接地系統，工頻恢復電壓最大可為相電壓的三倍），斷路器開斷失步故障的難度較大。發電機斷路器一般為真空斷路器，而真空斷路器本身的短路電流開斷的分析本文不在此詳述。

2 發電機出口斷路器的特殊要求

2.1 額定短路開斷電流及其直流分量額定值

額定短路開斷電流在下列系列中選取：31.5、40、50、63、80、100、125（135）、180、225、250、315（300）kA。

直流分量額定值：≥60%、≥80%。

2.2 額定瞬態恢復電壓（TRV）

在100%額定短路開斷電流下的額定瞬態恢復電壓特性與電源側設備類型有關。

當短路電流來自變壓器組時，TRV特征值為：

注：U為斷路器的最高電壓，TRV的時延不得超過1μs。當短路電流來自發電機時，TRV特征值為：

注：U為斷路器的最高電壓，TRV的時延不得超過0.5μs，幅值系數為1.5，首開相系數為1.5。

對它能滅弧原理的發電機斷路器只進行100%方式下的試驗；對自能滅弧原理的發電機斷路器應進行30%、60%和100%方式下的試驗。這些試驗方式下的TRV特征值一律按100%方式的要求整定。

3 3#和4#發電機出口斷路器的主要參數和優點

3.1 發電機出口斷路器的主要參數

3.2 發電機出口斷路器的優點

（1）利用斷路器觸頭分離產生很高的電弧電壓，來增大與串聯的電弧電阻，使短路電流直流分量快速衰減，從而強迫過零。也就是說，發電機出口斷路器能滿足不過零時切斷短路電流，而不致產生危險的過電壓。

（2）發電機出口斷路器的設計采用傳統的斷路器極柱構造，極柱通過環氧樹脂絕緣體安裝在同一機座位上。通過強固的支撐，極柱部分可固定真空滅弧室，保證其完全免受外力的作用。極其牢固和敞開式的構造允許極柱部分的自然風冷。這種設計基礎允許高機械和電氣開斷循環，高絕緣水平和大額定電流。彈簧驅動機構和其它輔助機構被整合在機構箱里，包括驅動機構、電動機構、輔助開關、脫扣線圈、操作計數器、機械操作和指示機構。

（3）三相聯動操作機構能提供安全的同步操作，減小升壓變壓器的故障平均恢復時間和發電機的故障平均恢復時間，使電廠的可利用率增加，從而提高電廠的效益。

（4）額定瞬態恢復電壓高，瞬態恢復電壓上升率大，利于電弧的熄滅。

4 發電機出口斷路器在CCPP區域的應用

CCPP區域供電系統一次主接線示意圖（圖3）

從圖中可看出，重鋼長壽新區供電系統的主要接線方式如下：

（1）冶煉110kV區域變電站的兩路110kV進線接自重鋼長壽新區220kV中央變電站110kV鐵系統母線；軋鋼和鋼軋110kV區域變電站的110kV進線接自重鋼長壽新區220kV中央變電站110kV鋼系統母線。

（2）重鋼長壽新區220kV中央變電站現設有5臺220/110/35kV，120MVA的主變壓器，其中僅以110kV電壓等級向重鋼長壽新區各110kV區域變電站供電。110kV主接線為雙母線雙分段接線，正常運行方式每一段110kV母線上均有一套CCPP的兩臺發電機并網。

而CCPP區域供電系統的呈現出如下特點：

（1）發電機裝機容量大，有8臺發電機，共228.5MW；

（2）每段10kV母線有兩臺發電機，扣除自用電后每段上網的電能約50MW，通過63MVA的升壓變壓器升至110kV。110kV為雙母線雙分段接線。

（3）110kV并網點有三處，分別是冶煉、軋鋼、鋼軋110kV區域變電站。

由以上特點分析可知，正常情況下CCPP區域的CCPP機組投入或退出時，對重鋼長壽電網的影響極大，必須由重鋼長壽調度中心與CCPP發電廠密切配合才能確保重鋼長壽電網的穩定運行。而在CCPP區域發電機組的運行方式和各種故障狀態下，其10kV發電機系統選擇額定電流大、開斷電流大、直流分量持續時間長的質量可靠的發電機出口斷路器對提高重鋼長壽新區供電可靠性具有極其重要的意義。

5 結語

發電機出口斷路器作為發電廠最重要的開關設備，具有以下重要作用：（1）實現了發電機、變壓器分別地、有選擇地進行保護跳閘，簡化了保護接線，而且機組內部故障無須動作于高壓斷路器從而避免了廠用電源的切換，這對于消除一些瞬時性故障特別是來自于鍋爐、汽輪機的熱工誤發信號，盡快恢復機組的運行及避免因誤操作而導致的損失非常有益；（2）能夠及時切除發電機類型短路故障；（3）保證發電廠的生產，提高發電時間，產生較大的經濟效益；提高了重鋼長壽新區生產過程中產生的副產煤氣資源的利用率，為實現副產煤氣的零排放提供了技術上的必要保證；（4）保證了供電系統的穩定和可靠性。

摘要：隨著節能降耗工作的不斷開展，鋼鐵企業生產過程中副產煤氣資源和低溫余熱等的綜合利用來發電成為必然。文章發從實際設計和應用出發，總結了發電機出口斷路器在從重鋼新區自發電系統中得應用和好處，為類似自備電廠提供設計參考。

關鍵詞：發電機短路；出口斷路器；發電機系統設計

中圖分類號：TU990 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）10-0024-02

重鋼環保搬遷后，將實現鋼產850萬噸左右。在當前電力供應緊張的形勢下，隨著節能降耗工作的不斷深入開展，鋼鐵企業生產過程中副產煤氣資源和低溫余熱等的綜合利用來發電成為必然。重鋼長壽新區總的發電機組容量將達約480MW。發電機組容量一般在12～28.5MW內（個別搬遷的發電機組容量為50MW），發電機組的臺數約20臺，就近分散安裝在各并網點。發電機數量眾多，將帶來短路電流大、直流分量持續時間長等不利于供電系統穩定的因素。下面以重鋼長壽新區CCPP-CDQ項目CCPP區域的10kVⅡ段上的三菱燃機發電機組及其配套的汽輪機組為例進行分析和應用。

1 發電機短路的計算結果和特點

1.1 發電機組的主要參數如下表

1.2 系統接線示意圖和短路電流計算電抗圖

CCPP區域發電機系統10kVⅡ段上的系統接線示意圖見圖1；電抗圖見圖2（括號內為系統最小運行時的系統阻抗。

1.3 發電機短路的計算結果

d2點短路時，由于電抗器的限流作用，最大短路電流小于20kA。本次主要計算d1點短時，系統和發電機提供的周期和非周期電流分量。

直流分量衰減時間常數經計算如下：3#發電機的直流分量衰減時間常數約297毫秒；4#發電機的直流分量衰減時間常數約208毫秒。根據規范要求，直流分量衰減時間常數大于60毫秒就必須校驗斷路器直流分量的分斷能力。

1.4 發電機短路的特點

（1）直流分量衰減時間常數較大，直流分量衰減慢，短路電流有經數百毫秒也不通過零點的情況；

（2）瞬態恢復電壓上升速率大，交流電弧過零后復燃可能性大；

（3）存在失步開斷問題：失步狀況是在斷路器操作瞬間，由于發電機和電力系統之間失去同步或達不到同步而引起的一種不正常回路狀況。此時在斷路器兩邊電壓的旋轉向量之間出現了相位差，這種相位差有可能超過正常值，甚至高達180°。顯然，在失步狀態下，斷路器的合分能力將下降。這對發電機斷路器將提出苛刻的條件。在全反相開斷（失步角180°）情況下，額定失步開斷值為額定短路開斷電流值的25%。如果不考慮全反相開斷，例如，僅設定最大失步角為90°，其額定失步開斷電流用不大于額定開斷電流的50%。失步故障電流雖然較小，但恢復電壓較高（中性點不接地系統，工頻恢復電壓最大可為相電壓的三倍），斷路器開斷失步故障的難度較大。發電機斷路器一般為真空斷路器，而真空斷路器本身的短路電流開斷的分析本文不在此詳述。

2 發電機出口斷路器的特殊要求

2.1 額定短路開斷電流及其直流分量額定值

額定短路開斷電流在下列系列中選取：31.5、40、50、63、80、100、125（135）、180、225、250、315（300）kA。

直流分量額定值：≥60%、≥80%。

2.2 額定瞬態恢復電壓（TRV）

在100%額定短路開斷電流下的額定瞬態恢復電壓特性與電源側設備類型有關。

當短路電流來自變壓器組時，TRV特征值為：

注：U為斷路器的最高電壓，TRV的時延不得超過1μs。當短路電流來自發電機時，TRV特征值為：

注：U為斷路器的最高電壓，TRV的時延不得超過0.5μs，幅值系數為1.5，首開相系數為1.5。

對它能滅弧原理的發電機斷路器只進行100%方式下的試驗；對自能滅弧原理的發電機斷路器應進行30%、60%和100%方式下的試驗。這些試驗方式下的TRV特征值一律按100%方式的要求整定。

3 3#和4#發電機出口斷路器的主要參數和優點

3.1 發電機出口斷路器的主要參數

3.2 發電機出口斷路器的優點

（1）利用斷路器觸頭分離產生很高的電弧電壓，來增大與串聯的電弧電阻，使短路電流直流分量快速衰減，從而強迫過零。也就是說，發電機出口斷路器能滿足不過零時切斷短路電流，而不致產生危險的過電壓。

（2）發電機出口斷路器的設計采用傳統的斷路器極柱構造，極柱通過環氧樹脂絕緣體安裝在同一機座位上。通過強固的支撐，極柱部分可固定真空滅弧室，保證其完全免受外力的作用。極其牢固和敞開式的構造允許極柱部分的自然風冷。這種設計基礎允許高機械和電氣開斷循環，高絕緣水平和大額定電流。彈簧驅動機構和其它輔助機構被整合在機構箱里，包括驅動機構、電動機構、輔助開關、脫扣線圈、操作計數器、機械操作和指示機構。

（3）三相聯動操作機構能提供安全的同步操作，減小升壓變壓器的故障平均恢復時間和發電機的故障平均恢復時間，使電廠的可利用率增加，從而提高電廠的效益。

（4）額定瞬態恢復電壓高，瞬態恢復電壓上升率大，利于電弧的熄滅。

4 發電機出口斷路器在CCPP區域的應用

CCPP區域供電系統一次主接線示意圖（圖3）

從圖中可看出，重鋼長壽新區供電系統的主要接線方式如下：

（1）冶煉110kV區域變電站的兩路110kV進線接自重鋼長壽新區220kV中央變電站110kV鐵系統母線；軋鋼和鋼軋110kV區域變電站的110kV進線接自重鋼長壽新區220kV中央變電站110kV鋼系統母線。

（2）重鋼長壽新區220kV中央變電站現設有5臺220/110/35kV，120MVA的主變壓器，其中僅以110kV電壓等級向重鋼長壽新區各110kV區域變電站供電。110kV主接線為雙母線雙分段接線，正常運行方式每一段110kV母線上均有一套CCPP的兩臺發電機并網。

而CCPP區域供電系統的呈現出如下特點：

（1）發電機裝機容量大，有8臺發電機，共228.5MW；

（2）每段10kV母線有兩臺發電機，扣除自用電后每段上網的電能約50MW，通過63MVA的升壓變壓器升至110kV。110kV為雙母線雙分段接線。

（3）110kV并網點有三處，分別是冶煉、軋鋼、鋼軋110kV區域變電站。

由以上特點分析可知，正常情況下CCPP區域的CCPP機組投入或退出時，對重鋼長壽電網的影響極大，必須由重鋼長壽調度中心與CCPP發電廠密切配合才能確保重鋼長壽電網的穩定運行。而在CCPP區域發電機組的運行方式和各種故障狀態下，其10kV發電機系統選擇額定電流大、開斷電流大、直流分量持續時間長的質量可靠的發電機出口斷路器對提高重鋼長壽新區供電可靠性具有極其重要的意義。

5 結語

發電機出口斷路器作為發電廠最重要的開關設備，具有以下重要作用：（1）實現了發電機、變壓器分別地、有選擇地進行保護跳閘，簡化了保護接線，而且機組內部故障無須動作于高壓斷路器從而避免了廠用電源的切換，這對于消除一些瞬時性故障特別是來自于鍋爐、汽輪機的熱工誤發信號，盡快恢復機組的運行及避免因誤操作而導致的損失非常有益；（2）能夠及時切除發電機類型短路故障；（3）保證發電廠的生產，提高發電時間，產生較大的經濟效益；提高了重鋼長壽新區生產過程中產生的副產煤氣資源的利用率，為實現副產煤氣的零排放提供了技術上的必要保證；（4）保證了供電系統的穩定和可靠性。

摘要：隨著節能降耗工作的不斷開展，鋼鐵企業生產過程中副產煤氣資源和低溫余熱等的綜合利用來發電成為必然。文章發從實際設計和應用出發，總結了發電機出口斷路器在從重鋼新區自發電系統中得應用和好處，為類似自備電廠提供設計參考。

關鍵詞：發電機短路；出口斷路器；發電機系統設計

中圖分類號：TU990 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）10-0024-02

重鋼環保搬遷后，將實現鋼產850萬噸左右。在當前電力供應緊張的形勢下，隨著節能降耗工作的不斷深入開展，鋼鐵企業生產過程中副產煤氣資源和低溫余熱等的綜合利用來發電成為必然。重鋼長壽新區總的發電機組容量將達約480MW。發電機組容量一般在12～28.5MW內（個別搬遷的發電機組容量為50MW），發電機組的臺數約20臺，就近分散安裝在各并網點。發電機數量眾多，將帶來短路電流大、直流分量持續時間長等不利于供電系統穩定的因素。下面以重鋼長壽新區CCPP-CDQ項目CCPP區域的10kVⅡ段上的三菱燃機發電機組及其配套的汽輪機組為例進行分析和應用。

1 發電機短路的計算結果和特點

1.1 發電機組的主要參數如下表

1.2 系統接線示意圖和短路電流計算電抗圖

CCPP區域發電機系統10kVⅡ段上的系統接線示意圖見圖1；電抗圖見圖2（括號內為系統最小運行時的系統阻抗。

1.3 發電機短路的計算結果

d2點短路時，由于電抗器的限流作用，最大短路電流小于20kA。本次主要計算d1點短時，系統和發電機提供的周期和非周期電流分量。

直流分量衰減時間常數經計算如下：3#發電機的直流分量衰減時間常數約297毫秒；4#發電機的直流分量衰減時間常數約208毫秒。根據規范要求，直流分量衰減時間常數大于60毫秒就必須校驗斷路器直流分量的分斷能力。

1.4 發電機短路的特點

（1）直流分量衰減時間常數較大，直流分量衰減慢，短路電流有經數百毫秒也不通過零點的情況；

（2）瞬態恢復電壓上升速率大，交流電弧過零后復燃可能性大；

（3）存在失步開斷問題：失步狀況是在斷路器操作瞬間，由于發電機和電力系統之間失去同步或達不到同步而引起的一種不正常回路狀況。此時在斷路器兩邊電壓的旋轉向量之間出現了相位差，這種相位差有可能超過正常值，甚至高達180°。顯然，在失步狀態下，斷路器的合分能力將下降。這對發電機斷路器將提出苛刻的條件。在全反相開斷（失步角180°）情況下，額定失步開斷值為額定短路開斷電流值的25%。如果不考慮全反相開斷，例如，僅設定最大失步角為90°，其額定失步開斷電流用不大于額定開斷電流的50%。失步故障電流雖然較小，但恢復電壓較高（中性點不接地系統，工頻恢復電壓最大可為相電壓的三倍），斷路器開斷失步故障的難度較大。發電機斷路器一般為真空斷路器，而真空斷路器本身的短路電流開斷的分析本文不在此詳述。

2 發電機出口斷路器的特殊要求

2.1 額定短路開斷電流及其直流分量額定值

額定短路開斷電流在下列系列中選取：31.5、40、50、63、80、100、125（135）、180、225、250、315（300）kA。

直流分量額定值：≥60%、≥80%。

2.2 額定瞬態恢復電壓（TRV）

在100%額定短路開斷電流下的額定瞬態恢復電壓特性與電源側設備類型有關。

當短路電流來自變壓器組時，TRV特征值為：

注：U為斷路器的最高電壓，TRV的時延不得超過1μs。當短路電流來自發電機時，TRV特征值為：

注：U為斷路器的最高電壓，TRV的時延不得超過0.5μs，幅值系數為1.5，首開相系數為1.5。

對它能滅弧原理的發電機斷路器只進行100%方式下的試驗；對自能滅弧原理的發電機斷路器應進行30%、60%和100%方式下的試驗。這些試驗方式下的TRV特征值一律按100%方式的要求整定。

3 3#和4#發電機出口斷路器的主要參數和優點

3.1 發電機出口斷路器的主要參數

3.2 發電機出口斷路器的優點

（1）利用斷路器觸頭分離產生很高的電弧電壓，來增大與串聯的電弧電阻，使短路電流直流分量快速衰減，從而強迫過零。也就是說，發電機出口斷路器能滿足不過零時切斷短路電流，而不致產生危險的過電壓。

（2）發電機出口斷路器的設計采用傳統的斷路器極柱構造，極柱通過環氧樹脂絕緣體安裝在同一機座位上。通過強固的支撐，極柱部分可固定真空滅弧室，保證其完全免受外力的作用。極其牢固和敞開式的構造允許極柱部分的自然風冷。這種設計基礎允許高機械和電氣開斷循環，高絕緣水平和大額定電流。彈簧驅動機構和其它輔助機構被整合在機構箱里，包括驅動機構、電動機構、輔助開關、脫扣線圈、操作計數器、機械操作和指示機構。

（3）三相聯動操作機構能提供安全的同步操作，減小升壓變壓器的故障平均恢復時間和發電機的故障平均恢復時間，使電廠的可利用率增加，從而提高電廠的效益。

（4）額定瞬態恢復電壓高，瞬態恢復電壓上升率大，利于電弧的熄滅。

4 發電機出口斷路器在CCPP區域的應用

CCPP區域供電系統一次主接線示意圖（圖3）

從圖中可看出，重鋼長壽新區供電系統的主要接線方式如下：

（1）冶煉110kV區域變電站的兩路110kV進線接自重鋼長壽新區220kV中央變電站110kV鐵系統母線；軋鋼和鋼軋110kV區域變電站的110kV進線接自重鋼長壽新區220kV中央變電站110kV鋼系統母線。

（2）重鋼長壽新區220kV中央變電站現設有5臺220/110/35kV，120MVA的主變壓器，其中僅以110kV電壓等級向重鋼長壽新區各110kV區域變電站供電。110kV主接線為雙母線雙分段接線，正常運行方式每一段110kV母線上均有一套CCPP的兩臺發電機并網。

而CCPP區域供電系統的呈現出如下特點：

（1）發電機裝機容量大，有8臺發電機，共228.5MW；

（2）每段10kV母線有兩臺發電機，扣除自用電后每段上網的電能約50MW，通過63MVA的升壓變壓器升至110kV。110kV為雙母線雙分段接線。

（3）110kV并網點有三處，分別是冶煉、軋鋼、鋼軋110kV區域變電站。

由以上特點分析可知，正常情況下CCPP區域的CCPP機組投入或退出時，對重鋼長壽電網的影響極大，必須由重鋼長壽調度中心與CCPP發電廠密切配合才能確保重鋼長壽電網的穩定運行。而在CCPP區域發電機組的運行方式和各種故障狀態下，其10kV發電機系統選擇額定電流大、開斷電流大、直流分量持續時間長的質量可靠的發電機出口斷路器對提高重鋼長壽新區供電可靠性具有極其重要的意義。

5 結語

發電機出口斷路器作為發電廠最重要的開關設備，具有以下重要作用：（1）實現了發電機、變壓器分別地、有選擇地進行保護跳閘，簡化了保護接線，而且機組內部故障無須動作于高壓斷路器從而避免了廠用電源的切換，這對于消除一些瞬時性故障特別是來自于鍋爐、汽輪機的熱工誤發信號，盡快恢復機組的運行及避免因誤操作而導致的損失非常有益；（2）能夠及時切除發電機類型短路故障；（3）保證發電廠的生產，提高發電時間，產生較大的經濟效益；提高了重鋼長壽新區生產過程中產生的副產煤氣資源的利用率，為實現副產煤氣的零排放提供了技術上的必要保證；（4）保證了供電系統的穩定和可靠性。