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中小型水電站發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器設(shè)計選型的思考
摘要：通常，人們習(xí)慣地對單機(jī)容量100MVA及以下的發(fā)電機(jī)組稱為中小型發(fā)電機(jī)。鑒于我國能源綜合利用開發(fā)的基本國策，自西部大開發(fā)以來，特別在西南地區(qū)，中小型水力發(fā)電機(jī)組建設(shè)拔地而起，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也已具備了一定的規(guī)模，隨著市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對于中小型水力發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器的設(shè)計選型，改變以往使用通用型斷路器為發(fā)電機(jī)型斷路器的傳統(tǒng)，已是大勢所趨。關(guān)鍵詞：斷路器 水電站 發(fā)電機(jī)
1 發(fā)電機(jī)型斷路器與通用型斷路器的技術(shù)性能比較
發(fā)電機(jī)型斷路器與通用型斷路器在機(jī)械特性、絕緣特性和電氣特性的表述方式上基本相同。
如對短路開斷電流均以交流分量有效值和直流分量百分?jǐn)?shù)(DC%)表示；絕緣性能均以工頻和雷電沖擊耐壓水平考核；機(jī)械特性考核項目等也基本相同。
發(fā)電機(jī)型斷路器與通用型斷路器的不同之處，是前者對某些技術(shù)性能的技術(shù)參數(shù)要求要苛刻得多。因為發(fā)電機(jī)的電感值較系統(tǒng)相對要大，作為保護(hù)斷路器在瞬間所承受的直流分量和衰減時間常數(shù)均大得多。GB/T14824-1993中規(guī)定：在斷路器分閘時間加0.01s時，直流分量(DC%)約為68%，衰減時間常數(shù)為60ms，顯然較通用型斷路器的直流分量DC%≤20%和衰減時間常數(shù)45ms要大；同時，額定短路關(guān)合電流也不相同，發(fā)電機(jī)型斷路器因為直流分量較大，額定短路關(guān)合電流(峰值)為額定短路電流的2.74倍，而通用型斷路器此值僅為2.5倍；在表述方式上，發(fā)電機(jī)型斷路器的銘牌除標(biāo)有額定短路電流值外，同時還注明有直流分量(DC%)值，而通用型斷路器則僅標(biāo)有額定短路電流值。
通過比較可以看出，發(fā)電機(jī)型斷路器較通用型斷路器開斷、關(guān)合條件均要苛刻，型式試驗的考核也相對嚴(yán)格得多。
2 發(fā)電機(jī)型斷路器的主要型式試驗考核內(nèi)容
依據(jù)當(dāng)前國際通用的ANSI/IEEEC37-013以對稱電流為基礎(chǔ)的交流高壓發(fā)電機(jī)斷路器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對發(fā)電型斷路器型式試驗考核內(nèi)容主要是：系統(tǒng)源短路的開斷與關(guān)合、發(fā)電機(jī)源短路開斷和失步開斷與關(guān)合。其它的型式試驗考核與通用型斷路器內(nèi)容基本相同。
(1)系統(tǒng)源短路的開斷與關(guān)合試驗。發(fā)電機(jī)型斷路器是在非自動重合閘操作順序下進(jìn)行。直流分量分DC%<20%及DC%>20%兩種條件；瞬態(tài)恢復(fù)電壓(峰值)為1.7倍發(fā)電機(jī)最高工作電壓；瞬態(tài)恢復(fù)電壓的上升率為3.5kV/μs；關(guān)合試驗按2.74倍額定短路電流(峰值)合并進(jìn)行的。國外西屋和西門子公司在進(jìn)行此項試驗時，直流分量(DC%)均按75%額定短路電流考核。
通用型斷路器一般都是在自動重合閘操作順序下進(jìn)行的。直流分量(DC%)<20%；瞬態(tài)恢復(fù)電壓(峰值)為1.71倍額定工作電壓；瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升率為0.34kV/μs；關(guān)合試驗是按2.5倍額定短路電流(峰值)與對稱開斷試驗合并進(jìn)行。當(dāng)斷路器的分閘時間≥60ms時，則不必進(jìn)行非對稱開斷試驗。
上述兩種類型斷路器的試驗考核，均相當(dāng)于三相試驗時首開相或者單相試驗時的條件。相比之下，即便是開斷電流的數(shù)值相同，而發(fā)電機(jī)型斷路器則是在高直流分量和瞬態(tài)恢復(fù)電壓下進(jìn)行開斷，開斷條件較通用型斷路器苛刻得多。
(2)發(fā)電機(jī)源短路的開斷試驗。
發(fā)電機(jī)源短路的開斷試驗條件則更為苛刻，該試驗具有更高的直流分量。按照ANSI/IEEEC37-013標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：此值為DC%=130%。對于這一試驗考核，通用型斷路器則是無法勝任的。
(3)失步開斷與關(guān)合試驗。
發(fā)電機(jī)型斷路器失步開斷與關(guān)合試驗是在合、分條件下進(jìn)行的。外施電壓和首相開斷工頻恢復(fù)電壓為1.22倍發(fā)電機(jī)最高電壓；開斷電流為50%的交流分量有效值；直流分量(DC%)分<20%和≥50%兩種條件；瞬態(tài)恢復(fù)電壓峰值為2.5倍發(fā)電機(jī)最高電壓；瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升率為 3.3kV/μs；關(guān)合試驗按2.5倍對稱開斷電流交流分量值(峰值)與開斷試驗合并進(jìn)行；國外西屋公司在進(jìn)行此項試驗時的直流分量(DC%)為80%；西門子公司為120%。
通用型斷路器的合、分失步開斷與關(guān)合試驗，外施電壓和首相開斷工頻恢復(fù)電壓為1.44倍系統(tǒng)最高電壓；開斷電流為25%的交流分量有效值；直流分量(DC%)<20%；瞬態(tài)恢復(fù)電壓峰值為2.55倍額定工作電壓；瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升率為0.26kV/μs；而對關(guān)合電流不作規(guī)定。
我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB1984規(guī)定：失步開斷僅適用于聯(lián)絡(luò)斷路器，對于通用型斷路器在10kV系統(tǒng)應(yīng)用時，則不必進(jìn)行失步開斷與關(guān)合此項試驗。該標(biāo)準(zhǔn)已被修訂，目前正在待批。相對比較，發(fā)電機(jī)型斷路器對失步開斷與關(guān)合試驗不僅要做，而且直流分量和瞬態(tài)恢復(fù)電壓值要大得多，這是通用型斷路器不可能替代的。
3 發(fā)電機(jī)型斷路器開發(fā)研究過程
在發(fā)電機(jī)型斷路器未進(jìn)行開發(fā)研究之前，由于沒有專門的發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器，設(shè)計選型只能是選擇額定電流大、短路開斷電流大和直流分量大的斷路器用于發(fā)電機(jī)回路作為保護(hù)設(shè)備。
4 中小型水力發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器設(shè)計的思考
(1)重視中小容量水力發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器的設(shè)計應(yīng)用。發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器根據(jù)電站接入系統(tǒng)方式、在電力系統(tǒng)中的作用、可靠性數(shù)值計算等，選型作為發(fā)電機(jī)保護(hù)回路主要保護(hù)電氣設(shè)備，所以，正確設(shè)計選擇發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器直接關(guān)系著水電站后期的電氣設(shè)備合理投資、運(yùn)行維護(hù)簡單方便、保證水電站長周期安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，事關(guān)重大，故而應(yīng)予以認(rèn)真對待。
(2)避免發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器設(shè)計選型的誤區(qū)。早期在發(fā)電機(jī)型斷路器標(biāo)準(zhǔn)未實(shí)施之前，因為沒有專門的發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器產(chǎn)品，人們對于發(fā)電機(jī)斷路器設(shè)計選型，只是考慮額定電流、短路開斷電流和直流分量較大，就可以應(yīng)用于發(fā)電機(jī)回路。我國過去常用于中小容量水電站的發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器主要是少油 SN3-10型和SN4-10型，這些產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)比較簡單、技術(shù)落后、額定參數(shù)低、運(yùn)行極不可靠、滿足不了當(dāng)前發(fā)展中的中小型水力發(fā)電站的技術(shù)要求，逐步將被新型真空斷路器所取代。設(shè)計選型發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器時，除應(yīng)滿足額定電流、短路開斷電流和直流分量的同時，必須充分考慮回路的時間常數(shù)，瞬態(tài)恢復(fù)電壓、失步開斷電流和關(guān)合電流等其它參數(shù)，避免忽視這一因素的誤區(qū)，擇優(yōu)選擇符合發(fā)電機(jī)斷路器標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。
(3)關(guān)于真空斷路器的截流過電壓保護(hù)。真空斷路器以良好的開斷性能應(yīng)用于發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器極為普遍。由于真空優(yōu)越的滅弧特性，往往在開斷過程中發(fā)生截流現(xiàn)象，因為截流引起的操作過電壓，則與斷路器的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)配置有關(guān)，而且具有一定的隨機(jī)性。國內(nèi)外許多真空滅弧室制造商，對于真空滅弧室限制截流值的技術(shù)措施進(jìn)行了一系列研究，并且取得了一定的效果，西屋公司和西門子公司已確認(rèn)該公司的真空斷路器截流值已降低至3A～5A。盡管如此，局限于產(chǎn)品制造的工藝水平和質(zhì)量保障體系的隨機(jī)性，相對于價格昂貴的水輪發(fā)電機(jī)而言，在發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器回路，仍應(yīng)加裝過電壓保護(hù)裝置。
(4)精心設(shè)計，合理配置、確保發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器可靠運(yùn)行。發(fā)電機(jī)是水力發(fā)電站的主機(jī)，而作為保護(hù)主機(jī)的斷路器則是保證發(fā)電機(jī)安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)，為重中之重。
熟悉掌握發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器各種技術(shù)參數(shù)和功能，對于能夠量化的技術(shù)參數(shù)，如額定工作電流、短路開斷電流、直流分量(DC%)、最大關(guān)合電流等，設(shè)計中必須進(jìn)行認(rèn)真準(zhǔn)確地計算；對于隨機(jī)性的一些技術(shù)參數(shù)，如瞬態(tài)恢復(fù)電壓峰值、上升率、時間常數(shù)、截流值等，盡可能地進(jìn)行各種條件下的計算分析比較。根據(jù)已具備的設(shè)計數(shù)據(jù)，合理選擇斷路器的技術(shù)參數(shù)配置，確保發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器長周期的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。
5 結(jié)束語
影響斷路器開斷能力的因素，除了電流大小和直流分量之外，恢復(fù)電壓峰值和上升率也是相當(dāng)重要的。而對于發(fā)電機(jī)或者變壓器在保護(hù)斷路器開斷過程中恢復(fù)電壓峰值和上升率隨其容量的變化，至今仍難作出定量的規(guī)定。在中小型水力發(fā)電站設(shè)計中，當(dāng)前仍應(yīng)根據(jù)已經(jīng)執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，合理配置發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器，應(yīng)該是科學(xué)的、規(guī)范的、有益的最佳選擇。
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