真空發電機出口斷路器及成套設備

芮祖存 任旭會 沈林沖 周富強 嚴俊

（1． 庫柏電子科技（上海）有限公司 2． 法騰電力科技有限公司3． 寧波耐吉新星自動化設備有限公司 4． 中安達電氣科技股份有限公司5． 國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司）

0 引言

隨著節能、環保要求的日益提高，天然氣、水力發電、聯合循環工廠等新能源發電越來越多，這些小型發電機的容量一般小于100MVA，額定電流在5000A及以下。使用傳統的SF6發電機斷路器體積、重量、價格等不適用于小型發電機的要求，而一般配電真空斷路器并不能隨便用于發電機和升壓變保護。

1 發電機斷路器的標準及參數要求

1997年，IEEE制定了名為 C37.013—1997《交流高壓發電機斷路器的IEEE標準》的標準。該標準的目的是考慮發電機斷路器所需的嚴格操作能力下的參數。適用于中央電站發電機額定電流為6300A及以上，通常是帶有液壓操作器固定安裝的SF6絕緣斷路器。近年來，越來越多的小型發電機被使用，額定電流范圍在1200A～6000A之間。大型發電機所需的許多相同的嚴格耐受參數，也適用于小型發電機，IEEE一直在準備C37.013的補充，特別是針對100MVA范圍的小型發電機的斷路器。IEC和IEEE在2015年聯合發布了IEC/IEEE 62271-37-013交流發電機斷路器標準, 該標準是IEC 62271的一部分，適用于室內或室外安裝，額定電壓1～38kV，額定頻率50Hz和60Hz，安裝在額定值為10MVA及以上的發電機與升壓變之間的發電機斷路器。發電機額定小于10MVA的回路和抽水蓄能裝置被認為是特殊的，應用程序及其要求未完全包含在該標準中。GB/T14824－2008標準是采用IEEE C37.013:1997標準進行全面修訂的，適用于安裝在發電機和升壓變之間所有的高壓交流發電機斷路器。

區別于一般配電斷路器，發電機斷路器主要有以下嚴格使用要求：

圖1 發電機系統短路故障

1）系統源故障短路電流。參照圖1的單線表示法，在安全開斷電源中的短路故障方面存在重要問題。配電電路斷路器通常無法處理的發電機電路。在系統源故障中，發電機斷路器必須開斷通常很高的系統源貢獻的短路電流，由于變壓器和連接母線的阻抗不受限制。斷路器不僅要開斷對稱短路電流，但通常很高的直流分量百分比會迫使產生更高的不對稱短路值。例如，假設直流分量為75%，使用公則50kA的對稱故障將導致70kA非對稱故障，發電機斷路器必須能夠安全開斷。

發電機源故障短路電流：由于系統 “電流延遲過零”的效果，安全開斷故障電流的問題變得更加復雜，這是由于系統的X/R（電感與電阻）比率過高導致的，短路電流的不對稱分量超過100%。這種很高的直流分量的作用是導致第一個過零點被延遲幾個周期。由于斷路器是依靠電流過零點來開斷短路電流的，這種過零時間的延遲要求斷路器要足夠堅固，以承受更長時間的電弧、電氣、機械和熱應力作用在斷路器上的額外影響。

2）失步開斷、關合功能。斷路器還必須承受可能發生的失步開斷。同步性差，或者發電機和線路之間電壓和頻率的不同步時的意外閉合。

3）較高的絕緣能力。發電機電壓可能會發生變化，并且隨著斷路器的斷開而加速。這可能會在斷路器上施加高達額定電壓2.5倍的電壓。因此，C37.013要求額定電壓15～17.5kV發電機斷路器雷電沖擊電壓110kV，工頻額定50kV，比配電斷路器要求高，對于15kV及以下的發電機斷路器，則耐壓值相同。

4）瞬態恢復電壓（TRV）。在觸頭開斷的瞬間，整個滅弧室觸頭間隙的介電強度減小到最小，在整個觸頭間隙上產生的電壓高達線對線電壓的兩倍。這稱為瞬態恢復電壓。特別是對于發電機，此TRV在3.5～4.0 kV /μs的范圍內會迅速出現峰值，發電機斷路器必須承受該TRV的上升速率，并嘗試在第一個電流過零時開斷電流。TRV的上升率以RRRV計量，配電斷路器的RRRV只有0.4～1 kV /μs。

2 典型真空發電機斷路器的試驗參數

典型真空發電機斷路器的試驗參數如下表所示。

表 典型真空發電機斷路器的試驗參數

3 發電機真空斷路器開關柜的好處

發電機真空斷路器開關柜有如下好處：

（1）安全性

無需處理開關氣體，也不需要高、低氣壓的監控，空氣作為絕緣介質，始終可用符合IEC 62271-200的工廠組裝，經過類型測試的開關柜；使用免維護，通過型式試驗的真空斷路器，在額定電流下可運行10000個操作循環；由于真空斷路器內部的活動部件數量少，因此真空斷路器的可靠性很高；具有高壓開關柜標準規定的安全要求：所有操作均關閉高壓門進行，IAC A FLR的內部電弧試驗開關設備，抵抗內部故障，通過管道集中泄壓，服務連續性類別LSC 2B，隔墻等級PM（抗壓設計的金屬覆層），標準防護等級IP4X，邏輯機械聯鎖系統。

（2）環境友好性

開關設備和所有組件的使用壽命長（超過20年）；空氣作為絕緣介質，對環境無害；真空開關技術，每隔幾年不充氣；切換電弧或內部電弧時，無毒物分解產物；無需壓力監測；所使用的材料無需特殊知識即可完全回收。

（3）靈活性

使用全球可用的標準組件，標準化電流、電壓互感器；低壓設備的靈活性（不同的隔室尺寸，可插拔的電線，可移動的低壓艙）；可以在功率擴容的情況下進行改裝（附加電纜，新的互感器）沒有問題；模塊化設計，快速訪問提供的所有隔間，工廠組裝和測試，從而減少了安裝工作和現場調試抽出式設計，可快速更換斷路器，易于處置。

4 發電機真空斷路器開關柜應用

典型一次方案圖如圖2所示，發電機斷路器兩側都裝有電壓互感器、接地開關、阻容吸收器，在靠近發電機一側，燃氣輪機等應用要求增加一臺SFC靜態變頻啟動出線柜，SFC把頻率可調的交變電流加到發電機定子上，使發電機變成電動機動起來帶動同軸的燃氣輪機啟動；在升壓變一側，有些需要輔助擴展出線。

1）不同于SF6發電機斷路器自身配備兩側接地開關、電壓互感器、電流互感器、避雷器阻容吸收裝置等組成系統設備，真空斷路器安裝于金屬鎧裝開關柜內，因此一次元器件、銅母排都安裝在金屬外殼里面，一般4000A及以下的發電機斷路器同普通配電斷路器尺寸相同，都采用中置式結構，而大于4000A一般采用落地式結構，還有采用隔離開關加固定式斷路器水平布置結構。真空發電機開關柜按高壓開關柜的標準GB3906/IEC62271-200設計、考核。

2）一般主要由中間兩臺開關柜組成，如圖3所示。即左側作為發電機進線斷路器柜，主要包括發電機側阻容吸收器、電壓互感器、接地開關；右側作為輔助出線柜，使升壓變側阻容吸收器、電壓互感器和接地開關；也有一些應用只要求在斷路器一側安裝阻容吸收裝置和電壓互感器的，從而實現一臺開關柜上進下出的設計； 如需要SFC和輔助電源出線的兩側還要各增加兩臺開關柜。

圖2 典型發電機斷路器開關柜一次系統圖

圖3 發電機真空斷路器開關柜布置

對于5000A以上的更多隔離開關加固定式斷路器水平布置結構，如圖4所示，按單線圖依次布置元器件，屬于金屬封閉式開關柜結構，沒有金屬板隔室分隔。這種結構散熱條件好，有利于大電流溫升 ，同樣安裝維護方便。

圖4 發電機真空斷路器開關柜水平布置

圖5 車載發電機真空斷路器開關柜單線圖

3）車載發電機出口開關柜。以GE TM2500車載真空發電機斷路器開關柜為例，介紹車載發電機出口開關柜。由于應用于發電機出口，直接與發電機相連，首先需要滿足系統要求，即選用50kA發電機出口斷路器作為主開關，兩側壓變、CT配備，還需要發電機中性點CT及中性點接地變壓器；由于安裝在拖車上，因此需要重量輕，尺寸小；環境要求，戶外安裝，需要滿足NEMA 3R (IP24)要求；戶外使用，所有連密封，表面處理滿足ISO 12944C5 I/M，15年使用壽命要求；高低溫要求-39℃到55℃；車載運輸，滿足震動要求；快速反應，需要快速插拔，一次電纜和二次控制系統；全球應用，50/60Hz，轉換開關選擇，配備具有關合能力的接地開關，產品及配套元器件需要滿足IEEE/IEC/GB標準，低壓連接箱CE認證。

一次方案：斷路器發電機側配有電壓互感器、電流互感器、電容吸收器、避雷器、帶電顯示器及接地開關；斷路器線路側配有電流互感器、電壓互感器、帶電顯示器；發電機中性點側經電流互感器到接地變壓器，接地電阻器實現高阻接地。車載發電機真空斷路器開關柜單線圖如圖5所示。

TM2500開關柜直接與發電機相連接，在發電機兩側，分別有線路側和中性點側邊柜，用于與發電機端子相連，線路側邊柜與母線橋、轉接柜連接到開關柜；開關柜由兩臺開關柜組成為一戶外箱，為實現結構、重量要求，開關柜寬度按從2m減為1.8m，通過采用開關柜貼框架的型式設計防水戶外箱，采用低壓電流互感器等措施重量減少20%+，完全符合重量小于3t的要求；發電機中性點側邊柜安裝有4個2500/5的二次繞組電流互感器，采用環氧澆鑄塊狀型式電流互感器需要兩個，而采用4個穿心式低壓互感器則尺寸、重量大為減少，銅排經穿心電流互感器后短接，電纜連接到輔助柜內部的中性點變壓器，變壓器二次端連接到中性點電阻。

TM2500開關柜有一次電纜連接箱，每相可安裝4根500平方電纜，電纜密封采用ROXTEC密封件保證防護等級；低壓側則所有外部連接線連接到專用快速插拔箱內，按電流、電壓等功能集中到快速插拔座內，現場只需將插拔頭插入即實現連接。車載發電機真空斷路器開關柜布置示意圖如圖6所示。

燃氣發電，清潔、高效，而車載移動發電更加靈活、迅速。

圖6 車載發電機真空斷路器開關柜布置示意圖

5 結束語

真空斷路器體積小，重量輕，用于小型發電機的出口保護可以靈活配置，現有發電機真空斷路器的最大額定電流可達6700A，開斷電流75kA，可用于最大到170MW的發電機；隨著真空開斷技術的不斷進步，開斷電流越來越大的真空斷路器將研發出來，從而可以進一步發揮發電機真空開關柜的安全性、環保性、靈活性等特點，可廣泛應用于清潔能源、調峰電站等小型燃氣發電機、水輪發電機設備中；如車載燃氣發電具有靈活性、快速性，從運輸到供電前后僅需兩周時間，而搭建一座傳統發電站并投運則需要三到六個月，對于救急搶險、災后重建等臨時供電保證起到重要作用。針對不同發電機的應用，有針對的系統設計開關柜解決方案，定制化設計，可以滿足客戶特殊需求。