劉春鳳

（西電寶光寶雞有限責任公司，陜西 寶雞 721013）

1 引言

近年來在中壓電力系統(tǒng)中經(jīng)常會碰到發(fā)電機出口保護真空斷路器的選擇問題，由于發(fā)電機出口保護真空斷路器和配電型真空斷路器具有各自不同的特性，它們的應(yīng)用環(huán)境也有所不同，也就是說它們的保護對象是不同的。如何在設(shè)計中合理選用發(fā)電機出口保護真空斷路器就成為設(shè)計人員經(jīng)常遇見的問題。對于小容量（≤30MVA）發(fā)電機出口保護是否可以采用配電型真空斷路器呢？本文就這一問題進行初步的探討。

2 發(fā)電機出口保護用真空斷路器及其特性

發(fā)電機斷路器是直接聯(lián)結(jié)在發(fā)電機主回路中的斷路器[1]，可用于保護和控制電站的發(fā)電機組。發(fā)電機斷路器在電網(wǎng)中所處的位置和保護對象比較獨特，在許多方面都有其特殊的要求：

（1）額定值方面：發(fā)電機斷路器要求承載的額定電流特別高，要開斷的短路電流特別大，見表1-3。

（2）開斷性能方面：發(fā)電機斷路器開斷非對稱短路電流時，其直流分量衰減時間通常大于45ms，至100 ms，并有可能達到150ms。其額定短路關(guān)合電流峰值為額定短路開斷電流交流分量有效值的2.74倍（DL427-91為2.8倍）。要求具有開斷失步電流能力。

（3）瞬態(tài)恢復(fù)電壓方面：因為發(fā)電機的瞬態(tài)恢復(fù)電壓是由發(fā)電機和升壓變壓器參數(shù)決定的，而不是由系統(tǒng)決定的，所以其瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升率取決于發(fā)電機和變壓器的容量等級。等級越高，瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升得越快，見表1-3。

由此看來，發(fā)電機斷路器比配電型斷路器的要求高得多。由于以上參數(shù)的“苛刻要求”，引起發(fā)電機斷路器的制造成本較高。

表1 系統(tǒng)源的預(yù)期瞬態(tài)恢復(fù)電壓[1]

表2 發(fā)電機源的預(yù)期瞬態(tài)恢復(fù)電壓[1]

表3 失步開斷的預(yù)期瞬態(tài)恢復(fù)電壓[1]

3 小容量發(fā)電機組簡介

近年來，隨著環(huán)境保護意識的提高，各個城市從環(huán)保和節(jié)能方面不斷的挖掘潛力，都相繼提出了城市生活垃圾焚燒發(fā)電項目，其容量一般都為2×15MVA，接線型式為發(fā)電機變壓器單元接線且有廠用分支出線，單機容量為15MVA，接線見圖1。另外，在某些耗電量較大的工廠（如電解鋁項目等）中所設(shè)的自備電廠，其容量一般都為2×25MVA，接線型式為發(fā)電機變壓器單元接線且有廠用分支出線，單機容量為25MVA，接線同圖1。那么，是不是所有的發(fā)電機保護都需要專用的發(fā)電機斷路器呢？小于30MVA的小容量的發(fā)電機保護有沒有采用配電型斷路器的可能呢？

圖1 一次主接線圖

4 小容量發(fā)電機出口保護采用配電型真空斷路器的可行性

4.1 標準依據(jù)

GB1984-2003《高壓交流斷路器》中有這樣的描述：對于發(fā)電機回路的斷路器的考慮僅限于那些與小容量的（例如20MVA）、與中壓配電網(wǎng)絡(luò)連接的地方電廠，因為此類應(yīng)用可能涉及到標準斷路器的使用，而不是專門的發(fā)電機斷路器[2]。

4.2 主要參數(shù)對比分析（以30MVA的發(fā)電機為例）

（1）額定電流

發(fā)電機的額定電流IF為

式中，Ue為額定電壓（kV），此處取10.5kV，P為發(fā)電機的額定功率（kVA），此處取3000kVA，cosΦ為發(fā)電機的功率因數(shù)約為0.8～0.85，此處取0.8。根據(jù)式（1）

發(fā)電機斷路器的額定電流IFB為

根據(jù)式（2）

IFB=1.05IF=1.05×2062=2165.1A。配電型斷路器額定電流目前各開關(guān)廠家都可以達到4000A，可以滿足要求。在具體選用時可取高一檔的額定電流值，如3150A（或4000A）。

（2）額定短路開斷電流及直流分量

其計算涉及的參數(shù)較多，根據(jù)短路的位置不同,斷路器有可能開斷發(fā)電機源的短路故障,也有可能開斷系統(tǒng)源的短路故障,本處取較為嚴重的系統(tǒng)源短路故障,依據(jù)表1，30MVA變壓器，其短路電流最大取16kA。直流分量額定值取80%。直流分量值達到。根據(jù)DL/T615-1997《交流高壓斷路器參數(shù)選用導(dǎo)則》附錄B：短路電流的計量，選擇斷路器的短路開斷電流為40kA，可計算出此時的直流分量百分數(shù)僅為。配電型斷路器直流分量目前各開關(guān)廠家都可以達到40%，可以滿足使用。在具體選用時可取高一檔的額定電流值，如40kA（或50kA）。

（3）額定短路關(guān)合電流、峰值耐受電流

發(fā)電機斷路器額定短路關(guān)合電流峰值（峰值耐受電流）為額定短路開斷電流交流分量有效值的2.74倍[1]，而配電型斷路器為2.5倍。按40kA的斷路器來核算，40×2.5/16=6.25倍，可以滿足使用。

（4）額定失步開斷電流

發(fā)電機斷路器為額定短路開斷電流交流分量有效值的50%[2]，配電型斷路器為25%。按40kA的斷路器來核算，16kA×50%/40kA=20%，可以滿足使用。在具體選用時可取高一檔的額定電流值，如40kA（或50kA）。

（5）系統(tǒng)源的預(yù)期瞬態(tài)恢復(fù)電壓及上升率

依據(jù)表1，發(fā)電機斷路器為22kV，3.5 kV/μs，而配電型斷路器為20.6kV，0.34kV/μs。為此必須采取限制過電壓措施。采用氧化鋅避雷器只能限制瞬態(tài)恢復(fù)電壓幅值，并不能緩解瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升陡度，不能在發(fā)生重燃造成過電壓時保護設(shè)備，而R-C吸收裝置可以有效抑制瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升陡度、降低重燃概率。最佳的方法是通過加裝氧化鋅避雷器和R-C阻容吸收器并聯(lián)使用，在降低瞬態(tài)恢復(fù)電壓的幅值的同時來降低瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升率。

有關(guān)發(fā)電機出口真空斷路器抑制瞬態(tài)恢復(fù)電壓EMTP仿真計算結(jié)果如下[3]：

不加R-C吸收裝置，瞬態(tài)恢復(fù)電壓幅值49.3 kV，斷口瞬態(tài)恢復(fù)電壓陡度4.042 kV/μs；

加R-C吸收裝置，瞬態(tài)恢復(fù)電壓幅值18.9kV，斷口瞬態(tài)恢復(fù)電壓陡度0.472 kV/μs。

從以上計算結(jié)果可以看出，通過加裝R-C吸收裝置，瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升率降低至0.472 kV/μs（已接近于配電型斷路器的0.34 kV/μs），瞬態(tài)恢復(fù)電壓幅值降至18.9kV（已低于于配電型斷路器的20.6 kV）。對于小于30MVA的小容量的發(fā)電機，其值應(yīng)該更小。

（6）失步開斷的預(yù)期瞬態(tài)恢復(fù)電壓及上升率

發(fā)電機斷路器依據(jù)表2為30kV，3.3 kV/μs，配電型斷路器為30.6kV，0.26kV/μs，解決措施同4.2.5,通過加裝氧化鋅避雷器和R-C阻容吸收器并聯(lián)使用，在降低瞬態(tài)恢復(fù)電壓的幅值的同時來降低瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升率。

（7）時間常數(shù)

發(fā)電機斷路器開斷非對稱短路電流時，其直流分量衰減時間通常大于45～100 ms，并有可能達到150ms。在短路電流要求小于斷路器的額定短路開斷電流的R10系列中至少一個等級的情況下，按45ms的時間常數(shù)試驗過的斷路器可以滿足更高時間常數(shù)的要求。例如，按45ms時間常數(shù)試驗的50 kA的斷路器可以判定其對于40 kA且具有更高時間常數(shù)的場合足夠[2]，其實質(zhì)上是考核斷路器開斷直流分量的能力，與（2）要求相同。

5 結(jié)論

從以上的分析可以初步確定通過加裝相應(yīng)的過電壓吸收裝置，在30MVA以下的小容量發(fā)電站完全可以選用配電型真空斷路器用于發(fā)電機出口保護，只要求其額定電流為3150A，額定短路開斷電流為40kA（或50 kA）。這樣的選擇具有設(shè)備投入低、操作維修方便的特點。具體的真空斷路器參數(shù)選擇可以參照發(fā)電機的容量及上面的計算和分析。以上分析是基于小容量、接線型式為發(fā)電機變壓器單元接線且有廠用分支出線或發(fā)電機直配線方式，對于其他方式需另行探討。

[1] 中華人民共和國國家標準．GB/T14824-1993發(fā)電機斷路器通用技術(shù)條件.北京：中國標準出版社,1994.

[2] 中華人民共和國國家標準.GB1984-2003高壓交流斷路器[S].北京.中國標準出版社,2003.

[3] 張萬榮.發(fā)電機出口真空斷路器瞬態(tài)恢復(fù)電壓的研究[J].高壓電器,2000(4).