6?500?MVA短路發(fā)電機(jī)系統(tǒng)保護(hù)斷路器選型討論

洪深++鄭占鋒++萬德春++汪海波++胡冠

摘 要：該文通過對(duì)6 500 MVA短路發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的短路工況進(jìn)行了仿真分析，提出了保護(hù)斷路器的性能參數(shù)要求；在充分比較市場(chǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，提出了基于緊耦合電抗器的并聯(lián)型真空斷路器方案。分析表明，該方案能很好地滿足系統(tǒng)保護(hù)要求，并且大大節(jié)約了投資和維護(hù)成本。

關(guān)鍵詞：6 500 MVA 發(fā)電機(jī)斷路器 緊耦合分裂電抗器

中圖分類號(hào)：TU990 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）12（b）-0050-03

短路發(fā)電機(jī)專門用于開關(guān)、變壓器等高壓電氣設(shè)備的大容量短路試驗(yàn)[1]。保護(hù)斷路器會(huì)在短路發(fā)電機(jī)系統(tǒng)遇到非預(yù)期故障短路、試品開斷不成功等狀況時(shí)開斷短路電流，保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備。

6 500 MVA短路發(fā)電機(jī)是目前國(guó)內(nèi)最大容量的同類產(chǎn)品[2]，為其選型保護(hù)斷路器面臨適用產(chǎn)品少、價(jià)格高昂等不利因素。該文通過對(duì)該發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的短路工況進(jìn)行了仿真分析，提出保護(hù)斷路器的性能參數(shù)要求；在充分比較市場(chǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，提出了基于緊耦合電抗器的并聯(lián)型真空斷路器方案；分析表明，該方案能很好地滿足系統(tǒng)保護(hù)要求，并且大大節(jié)約了投資和維護(hù)成本。

1 需求分析

短路發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，從發(fā)電機(jī)定子出線端起，依次連接保護(hù)斷路器、操作斷路器、合閘開關(guān)、限流電抗器、試驗(yàn)變壓器和被試設(shè)備。有些大容量試驗(yàn)站，保護(hù)斷路器和操作斷路器互為備用。

短路發(fā)電機(jī)系統(tǒng)從定子出線端至試驗(yàn)變壓器一次側(cè)，全部采用離相封閉母線，基本避免了相間短路和三相接地短路。因此，綜合考慮保護(hù)需求和經(jīng)濟(jì)性，發(fā)電機(jī)斷路器開斷的最嚴(yán)重故障確定為“發(fā)電機(jī)升壓至15 kV，空載狀態(tài)下試驗(yàn)變壓器二次側(cè)出口發(fā)生三相對(duì)地短路”。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14824-2008[3]推薦方法計(jì)算，該故障狀態(tài)下的對(duì)稱電流波形和最大非對(duì)稱電流波形，分別如圖2和圖3所示。

其中，短路發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的參數(shù)如下：額定電壓UN為14 kV，額定轉(zhuǎn)速n為3 000 r/min；定子繞組電阻RA為0.88 mΩ，正序電阻R1為2.7 mΩ；負(fù)序電阻R2為4.4 mΩ，直軸同步電抗Xd為730 mΩ，直軸瞬變電抗Xd`為41 mΩ，直軸超瞬變電抗Xd"為30 mΩ，負(fù)序電抗X2為30 mΩ，三相短路時(shí)直軸瞬變電流衰減時(shí)間常數(shù)Td`為0.55 s，三相短路時(shí)直軸超瞬變電流衰減時(shí)間常數(shù)Td"為0.026 s，短路變壓器折算至一次側(cè)阻抗為45 mΩ，發(fā)電機(jī)出線端至短路變壓器一次側(cè)和發(fā)電機(jī)尾端出線至接地點(diǎn)的總阻抗Z1為13.25 mΩ；直流分量衰減時(shí)間常數(shù)為0.159 s。

由圖2、圖3可知，該故障狀態(tài)下，系統(tǒng)短路電流有效值為150 kA，峰值為400 kA，在50 ms處的直流分量約為70%（相對(duì)于150 kA的峰值）。考慮裕度，確定保護(hù)斷路器的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 市場(chǎng)情況

目前，市場(chǎng)上開斷能力達(dá)到160 kA的發(fā)電機(jī)斷路器，滅弧介質(zhì)大致有兩種，分別為SF6氣體和壓縮空氣，性能對(duì)比如表2所示。

ABB等公司的SF6發(fā)電機(jī)斷路器廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠，但需要在入線端和出線端并聯(lián)對(duì)地電容以抑制恢復(fù)電壓上升率，因?qū)υ囼?yàn)波形影響大而不適用于試驗(yàn)站使用；同時(shí)，其電機(jī)斷路器的使用壽命有限，維護(hù)工作量大。

MTSA公司的壓縮空氣發(fā)電機(jī)斷路器是專用于試驗(yàn)站的產(chǎn)品，自帶限流功能，可在7 ms內(nèi)切斷故障電流，但作為進(jìn)口設(shè)備，售價(jià)和維護(hù)費(fèi)用都比較高。

3 真空并聯(lián)開斷方案

利用一臺(tái)15 kV/80 kA真空發(fā)電機(jī)斷路器的兩個(gè)邊極，通過緊耦合分裂電抗器并聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)15 kV/160 kA的電流開斷能力。緊耦合電抗器并聯(lián)狀態(tài)下，阻抗小于2 mΩ，起到均流的作用；當(dāng)單臂工作時(shí)，阻抗約為752 mΩ，可將160 kA的短路電流限制到80 kA以內(nèi)，再由80 kA開斷能力的真空滅弧室開斷。仿真分析最嚴(yán)酷的并聯(lián)開斷工況：A相首先過零，并聯(lián)的兩極只有一極開斷，因此，A相回路串入一個(gè)支路電感；C相接著過零，并聯(lián)的兩極只有一極開斷，因此，C相回路再串入一個(gè)支路電感；接著B相過零，并聯(lián)的兩極只有一極開斷，因此，B相回路也串入一個(gè)支路電感；接著A相過零，完成開斷，成為首開極；最后B相和C相串聯(lián)開斷剩下的回路。仿真波形如圖4所示。由圖4可知，該方案具備限流開斷能力。

4 結(jié)語

（1）6 500 MVA短路發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，在出線端至短路變壓器一次側(cè)采用離相式封閉母線的情況下，大致需選用15 kV/160 kA的保護(hù)斷路器。

（2）基于緊耦合分裂電抗器的并聯(lián)型真空發(fā)電機(jī)斷路器方案能滿足該系統(tǒng)保護(hù)的需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 張萬兵，邵桂蘭，宋曉東，等.6500MVA沖擊發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[J].電工電氣，2010（9）：31-33.

[2] Zheng Z，Wu X，Hong S，et al.Facility Requirement Analysis of an UHV Transformers Short-circuit Test[M].Atlantis Press，2015.

[3] 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 14824-2008 高壓交流發(fā)電機(jī)斷路器[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[4] 尹婷，陳軒恕，杜硯，等.采用緊耦合電抗器的大容量高壓斷路器設(shè)計(jì)[J].高電壓技術(shù)，2010（6）：1577-1582.