[行业技术文章]保护断路器设计选型的思考中小型水电站发电机

    摘要：凡是，人们习惯地对单机容100MVA及以下的发机电组称为中小型发机电。鉴于我国能源综合哄骗开发的基本国策，自西部年夜开发以来，出格在西南地域，中小型水力发机电组建设拔地而起，工结构也已具有了一定的规模，随着市场经济的成长，对于中小型水力发机电庇护断路器的设计选型，改变以往使用通用型断路器为发机电型断路器的传统，已经是年夜势所趋。  

　　凡是，人们习惯地对单机容100MVA及以下的发机电组称为中小型发机电。鉴于我国能源综合哄骗开发的基本国策，自西部年夜开发以来，出格在西南地域，中小型水力发机电组建设拔地而起，工结构也已具有了一定的规模，随着市场经济的成长，对于中小型水力发机电庇护断路器的设计选型，改变以往使用通用型断路器为发机电型断路器的传统，已经是年夜势所趋。  

     1 发机电型断路器与通用型断路器的技术性能比力 
 
　　发机电型断路器与通用型断路器在机械特征、尽缘特征和电气特征的表述方式上基底细同。  

　　如对短路开断电流均以交流份有用值和直流份百分数(DC%)暗示；尽缘性能均以工频和雷电冲击耐压水平考核；机械特征考核项目等也基底细同。  

　　发机电型断路器与通用型断路器的分歧的地方，是前者对某些技术性能的技术参数要求要刻薄得多。由于发机电的电感值较系统相对要年夜，作为庇护断路器在瞬间所承受的直流份和衰减时间常数均年夜得多。GB／T14824-1993中划定：在断路器分闸时间加0.01s时，直流份(DC%)约为68%，衰减时间常数为60ms，显然较通用型断路器的直流份DC%≤20%和衰减时间常数45ms要年夜；同时，额定短路关合电流也不不异，发机电型断路器由于直流份较年夜，额定短路关合电流(峰值)为额定短路电流的2.74倍，而通用型断路器此值仅为2.5倍；在表述方式上，发机电型断路器的铭牌除标有额定短路电流值外，同时还注明有直流份(DC%)值，而通用型断路器则仅标有额定短路电流值。
  
　　经由过程比力可以看出，发机电型断路器较通用型断路器开断、关合条件均要刻薄，型式实验的考核也相对严酷得多。  

      2 发机电型断路器的主要型式实验考核内容  

　　依据当前通用的ANSI／IEEEC37-013"以对称电流为根蒂根基的交流高压发电  

　　机断路器尺度"划定，对发电型断路器型式实验考核内容主要是：系统源短路的开断与关合、发机电源短路开断和失步开断与关合。其它的型式实验考核与通用型断路器内容基底细同。
  
　　(1)系统源短路的开断与关合实验。发机电型断路器是在非自动重合闸操作顺序下进行。直流份分DC%＜20%及DC%＞20%两种条件；瞬态恢复电压(峰值)为1.7倍发机电高工作电压；瞬态恢复电压的上升率为3.5kV／μs；关合实验按2.74倍额定短路电流(峰值)合并进行的。国外西屋和西门子公司在进行此项实验时，直流份(DC%)均按75%额定短路电流考核。
  
　　通用型断路器一般都是在自动重合闸操作顺序下进行的。直流份(DC%)＜20%；瞬态恢复电压(峰值)为1.71倍额定工作电压；瞬态恢复电压上升率为0.34kV／μs；关合实验是按2.5倍额定短路电流(峰值)与对称开断实验合并进行。当断路器的分闸时间≥60ms时，则没必要进行非对称开断实验。
  
　　上述两种类型断路器的实验考核，均相当于三相实验时首开相或单相实验时的条件。相比之下，即使是开断电流的数值不异，而发机电型断路器则是在高直流份和瞬态恢复电压下进行开断，开断条件较通用型断路器刻薄得多。  

　　(2)发机电源短路的开断实验。  

　　发机电源短路的开断实验条件则更为刻薄，该实验具有更高的直流份。依照ANSI／IEEEC37-013尺度划定：此值为DC%=130%。对于这一实验考核，通用型断路器则是没法胜任的。 
 
　　(3)失步开断与关合实验。  

　　发机电型断路器失步开断与关合实验是在合、分条件下进行的。外施电压和辅弼开断工频恢复电压为1.22倍发机电高电压；开断电流为50％的交流份有用值；直流份(DC%)分＜20%和≥50%两种条件；瞬态恢复电压峰值为2.5倍发机电高电压；瞬态恢复电压上升率为3.3kV／μs；关合实验按2.5倍对称开断电流交流份值(峰值)与开断实验合并进行；国外西屋公司在进行此项实验时的直流份(DC%)为80%；西门子公司为120%。
  
　　通用型断路器的合、分失步开断与关合实验，外施电压和辅弼开断工频恢复电压为1.44倍系统高电压；开断电流为25%的交流份有用值；直流份(DC%)＜20%；瞬态恢复电压峰值为2.55倍额定工作电压；瞬态恢复电压上升率为0.26kV／μs；而对关合电流不作划定。  

　　我国国家尺度GB1984划定：失步开断仅适用于联络断路器，对于通用型断路器在10kV系统运用时，则没必要进行失步开断与关合此项实验。该尺度已被修订，今朝正在待批。相对比力，发机电型断路器对失步开断与关合实验不仅要做，而且直流份和瞬态恢复电压值要年夜得多，这是通用型断路器不成能替换的。

      3 发机电型断路器开发研究进程 

　　在发机电型断路器未进行开发研究之前，由于没有门的发机电庇护断路器，设计选型只能是选择额定电流年夜、短路开断电流年夜和直流份年夜的断路器用于发机电回路作为庇护装备。 
4 中小型水力发机电庇护断路器设计的思虑 

　　（1）重视中小容水力发机电庇护断路器的设计运用。发机电庇护断路器凭据电站接进系统方式、在电力系统中的作用、靠得住性数值计较等，选型作为发机电庇护回路主要庇护电气装备，所以，准确设计选择发机电庇护断路器直接关系着水电站后期的电气装备合理投资、运行维护简单利便、保证水电站长周期平安经济运行，事关重年夜，故而应予以认真看待。 

　　（2）避免发机电庇护断路器设计选型的误区。早期在发机电型断路器尺度未实施之前，由于没有门的发机电庇护断路器产物，人们对于发机电断路器设计选型，只是斟酌额定电流、短路开断电流和直流份较年夜，就能够运用于发机电回路。我国曩昔经常使用于中小容水电站的发机电庇护断路器主要是少油SN3-10型和SN4-10型，这些产物的结构比力简单、技术落后、额定参数低、运行极不成靠、知足不了当前成长中的中小型水力发电站的技术要求，慢慢将被新型真空断路器所取代。设计选型发机电庇护断路器时，除应知足额定电流、短路开断电流和直流份的同时，必需充实斟酌回路的时间常数，瞬态恢复电压、失步开断电流和关合电流等其它参数，避免轻忽这一身分的误区，择选择合适发机电断路器尺度的产物。 

　　(3)关于真空断路器的截流过电压庇护。真空断路器以秀的开断性能运用于发机电庇护断路器极为普遍。由于真空越的灭弧特征，往往在开断进程中发生截流现象，由于截流引发的操作过电压，则与断路器的结构和系统设置装备摆设有关，而且具有一定的随机性。国内外许多真空灭弧室制造商，对于真空灭弧室限制截流值的技术措施进行了一系列研究，而且取得了一定的效果，西屋公司和西门子公司已确认该公司的真空断路器截流值已下降至3A～。虽然如斯，局限于产物制造的工艺水安然平静保障系统的随机性，相对价格昂贵的水轮发机电而言，在发机电庇护断路器回路，仍应加装过电压庇护装配。 

　　(4)精心设计，合理设置装备摆设、确保发机电庇护断路器靠得住运行。发机电是水力发电站的主机，而作为庇护主机的断路器则是保证发机电平安靠得住运行的根蒂根基，为重中之重。 

　　熟悉掌握发机电庇护断路器各类技术参数和功能，对于能够化的技术参数，如额定工作电流、短路开断电流、直流份(DC%)、年夜关合电流等，设计中必需进行认真准确地计较；对于随机性的一些技术参数，如瞬态恢复电压峰值、上升率、时间常数、截流值等，尽地进行各类条件下的计较分析比力。凭据已具有的设计数据，合理选择断路器的技术参数设置装备摆设，确保发机电庇护断路器长周期的靠得住、平安、经济运行水平。 

      5 竣事语
 
　　影响断路器开断能力的身分，除电流年夜小和直流份之外，恢复电压峰值和上升率也是相当重要的。而对于发机电或变压器在庇护断路器开断进程中恢复电压峰值和上升率随其容的变化，至今仍难作出定的划定。在中小型水力发电站设计中，当前仍应凭据已执行国家尺度划定的相关技术参数，合理设置装备摆设发机电庇护断路器，应当是科学的、规范的、有益的好选择。