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中小型水電站發電機保護斷路器設計選型的思考
摘要：通常，人們習慣地對單機容量100MVA及以下的發電機組稱為中小型發電機。鑒于我國能源綜合利用開發的基本國策，自西部大開發以來，特別在西南地區，中小型水力發電機組建設拔地而起，產業結構也已具備了一定的規模，隨著市場經濟的發展，對于中小型水力發電機保護斷路器的設計選型，改變以往使用通用型斷路器為發電機型斷路器的傳統，已是大勢所趨。關鍵詞：斷路器 水電站 發電機
1 發電機型斷路器與通用型斷路器的技術性能比較
發電機型斷路器與通用型斷路器在機械特性、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數(DC%)表示；絕緣性能均以工頻和雷電沖擊耐壓水平考核；機械特性考核項目等也基本相同。
發電機型斷路器與通用型斷路器的不同之處，是前者對某些技術性能的技術參數要求要苛刻得多。因為發電機的電感值較系統相對要大，作為保護斷路器在瞬間所承受的直流分量和衰減時間常數均大得多。GB/T14824-1993中規定：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45ms要大；同時，額定短路關合電流也不相同，發電機型斷路器因為直流分量較大，額定短路關合電流(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，發電機型斷路器的銘牌除標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有額定短路電流值。
通過比較可以看出，發電機型斷路器較通用型斷路器開斷、關合條件均要苛刻，型式試驗的考核也相對嚴格得多。
2 發電機型斷路器的主要型式試驗考核內容
依據當前國際通用的ANSI/IEEEC37-013以對稱電流為基礎的交流高壓發電機斷路器標準規定，對發電型斷路器型式試驗考核內容主要是：系統源短路的開斷與關合、發電機源短路開斷和失步開斷與關合。其它的型式試驗考核與通用型斷路器內容基本相同。
(1)系統源短路的開斷與關合試驗。發電機型斷路器是在非自動重合閘操作順序下進行。直流分量分DC%<20%及DC%>20%兩種條件；瞬態恢復電壓(峰值)為1.7倍發電機最高工作電壓；瞬態恢復電壓的上升率為3.5kV/μs；關合試驗按2.74倍額定短路電流(峰值)合并進行的。國外西屋和西門子公司在進行此項試驗時，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行的。直流分量(DC%)<20%；瞬態恢復電壓(峰值)為1.71倍額定工作電壓；瞬態恢復電壓上升率為0.34kV/μs；關合試驗是按2.5倍額定短路電流(峰值)與對稱開斷試驗合并進行。當斷路器的分閘時間≥60ms時，則不必進行非對稱開斷試驗。
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值相同，而發電機型斷路器則是在高直流分量和瞬態恢復電壓下進行開斷，開斷條件較通用型斷路器苛刻得多。
(2)發電機源短路的開斷試驗。
發電機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標準規定：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)失步開斷與關合試驗。
發電機型斷路器失步開斷與關合試驗是在合、分條件下進行的。外施電壓和首相開斷工頻恢復電壓為1.22倍發電機最高電壓；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；瞬態恢復電壓峰值為2.5倍發電機最高電壓；瞬態恢復電壓上升率為 3.3kV/μs；關合試驗按2.5倍對稱開斷電流交流分量值(峰值)與開斷試驗合并進行；國外西屋公司在進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、分失步開斷與關合試驗，外施電壓和首相開斷工頻恢復電壓為1.44倍系統最高電壓；開斷電流為25%的交流分量有效值；直流分量(DC%)<20%；瞬態恢復電壓峰值為2.55倍額定工作電壓；瞬態恢復電壓上升率為0.26kV/μs；而對關合電流不作規定。
我國國家標準GB1984規定：失步開斷僅適用于聯絡斷路器，對于通用型斷路器在10kV系統應用時，則不必進行失步開斷與關合此項試驗。該標準已被修訂，目前正在待批。相對比較，發電機型斷路器對失步開斷與關合試驗不僅要做，而且直流分量和瞬態恢復電壓值要大得多，這是通用型斷路器不可能替代的。
3 發電機型斷路器開發研究過程
在發電機型斷路器未進行開發研究之前，由于沒有專門的發電機保護斷路器，設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電機回路作為保護設備。
4 中小型水力發電機保護斷路器設計的思考
(1)重視中小容量水力發電機保護斷路器的設計應用。發電機保護斷路器根據電站接入系統方式、在電力系統中的作用、可靠性數值計算等，選型作為發電機保護回路主要保護電氣設備，所以，正確設計選擇發電機保護斷路器直接關系著水電站后期的電氣設備合理投資、運行維護簡單方便、保證水電站長周期安全經濟運行，事關重大，故而應予以認真對待。
(2)避免發電機保護斷路器設計選型的誤區。早期在發電機型斷路器標準未實施之前，因為沒有專門的發電機保護斷路器產品，人們對于發電機斷路器設計選型，只是考慮額定電流、短路開斷電流和直流分量較大，就可以應用于發電機回路。我國過去常用于中小容量水電站的發電機保護斷路器主要是少油 SN3-10型和SN4-10型，這些產品的結構比較簡單、技術落后、額定參數低、運行極不可靠、滿足不了當前發展中的中小型水力發電站的技術要求，逐步將被新型真空斷路器所取代。設計選型發電機保護斷路器時，除應滿足額定電流、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，瞬態恢復電壓、失步開斷電流和關合電流等其它參數，避免忽視這一因素的誤區，擇優選擇符合發電機斷路器標準的產品。
(3)關于真空斷路器的截流過電壓保護。真空斷路器以良好的開斷性能應用于發電機保護斷路器極為普遍。由于真空優越的滅弧特性，往往在開斷過程中發生截流現象，因為截流引起的操作過電壓，則與斷路器的結構和系統配置有關，而且具有一定的隨機性。國內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措施進行了一系列研究，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，局限于產品制造的工藝水平和質量保障體系的隨機性，相對于價格昂貴的水輪發電機而言，在發電機保護斷路器回路，仍應加裝過電壓保護裝置。
(4)精心設計，合理配置、確保發電機保護斷路器可靠運行。發電機是水力發電站的主機，而作為保護主機的斷路器則是保證發電機安全可靠運行的基礎，為重中之重。
熟悉掌握發電機保護斷路器各種技術參數和功能，對于能夠量化的技術參數，如額定工作電流、短路開斷電流、直流分量(DC%)、最大關合電流等，設計中必須進行認真準確地計算；對于隨機性的一些技術參數，如瞬態恢復電壓峰值、上升率、時間常數、截流值等，盡可能地進行各種條件下的計算分析比較。根據已具備的設計數據，合理選擇斷路器的技術參數配置，確保發電機保護斷路器長周期的可靠、安全、經濟運行水平。
5 結束語
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，恢復電壓峰值和上升率也是相當重要的。而對于發電機或者變壓器在保護斷路器開斷過程中恢復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定。在中小型水力發電站設計中，當前仍應根據已經執行國家標準規定的相關技術參數，合理配置發電機保護斷路器，應該是科學的、規范的、有益的最佳選擇。
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