小容量发电机出口保护用真空断路器的选择

刘春凤

（西电宝光宝鸡有限责任公司，陕西 宝鸡 721013）

1 引言

近年来在中压电力系统中经常会碰到发电机出口保护真空断路器的选择问题，由于发电机出口保护真空断路器和配电型真空断路器具有各自不同的特性，它们的应用环境也有所不同，也就是说它们的保护对象是不同的。如何在设计中合理选用发电机出口保护真空断路器就成为设计人员经常遇见的问题。对于小容量（≤30MVA）发电机出口保护是否可以采用配电型真空断路器呢？本文就这一问题进行初步的探讨。

2 发电机出口保护用真空断路器及其特性

发电机断路器是直接联结在发电机主回路中的断路器[1]，可用于保护和控制电站的发电机组。发电机断路器在电网中所处的位置和保护对象比较独特，在许多方面都有其特殊的要求：

（1）额定值方面：发电机断路器要求承载的额定电流特别高，要开断的短路电流特别大，见表1-3。

（2）开断性能方面：发电机断路器开断非对称短路电流时，其直流分量衰减时间通常大于45ms，至100 ms，并有可能达到150ms。其额定短路关合电流峰值为额定短路开断电流交流分量有效值的2.74倍（DL427-91为2.8倍）。要求具有开断失步电流能力。

（3）瞬态恢复电压方面：因为发电机的瞬态恢复电压是由发电机和升压变压器参数决定的，而不是由系统决定的，所以其瞬态恢复电压上升率取决于发电机和变压器的容量等级。等级越高，瞬态恢复电压上升得越快，见表1-3。

由此看来，发电机断路器比配电型断路器的要求高得多。由于以上参数的“苛刻要求”，引起发电机断路器的制造成本较高。

表1 系统源的预期瞬态恢复电压[1]

表2 发电机源的预期瞬态恢复电压[1]

表3 失步开断的预期瞬态恢复电压[1]

3 小容量发电机组简介

近年来，随着环境保护意识的提高，各个城市从环保和节能方面不断的挖掘潜力，都相继提出了城市生活垃圾焚烧发电项目，其容量一般都为2×15MVA，接线型式为发电机变压器单元接线且有厂用分支出线，单机容量为15MVA，接线见图1。另外，在某些耗电量较大的工厂（如电解铝项目等）中所设的自备电厂，其容量一般都为2×25MVA，接线型式为发电机变压器单元接线且有厂用分支出线，单机容量为25MVA，接线同图1。那么，是不是所有的发电机保护都需要专用的发电机断路器呢？小于30MVA的小容量的发电机保护有没有采用配电型断路器的可能呢？

图1 一次主接线图

4 小容量发电机出口保护采用配电型真空断路器的可行性

4.1 标准依据

GB1984-2003《高压交流断路器》中有这样的描述：对于发电机回路的断路器的考虑仅限于那些与小容量的（例如20MVA）、与中压配电网络连接的地方电厂，因为此类应用可能涉及到标准断路器的使用，而不是专门的发电机断路器[2]。

4.2 主要参数对比分析（以30MVA的发电机为例）

（1）额定电流

发电机的额定电流IF为

式中，Ue为额定电压（kV），此处取10.5kV，P为发电机的额定功率（kVA），此处取3000kVA，cosΦ为发电机的功率因数约为0.8～0.85，此处取0.8。根据式（1）

发电机断路器的额定电流IFB为

根据式（2）

IFB=1.05IF=1.05×2062=2165.1A。配电型断路器额定电流目前各开关厂家都可以达到4000A，可以满足要求。在具体选用时可取高一档的额定电流值，如3150A（或4000A）。

（2）额定短路开断电流及直流分量

其计算涉及的参数较多，根据短路的位置不同,断路器有可能开断发电机源的短路故障,也有可能开断系统源的短路故障,本处取较为严重的系统源短路故障,依据表1，30MVA变压器，其短路电流最大取16kA。直流分量额定值取80%。直流分量值达到。根据DL/T615-1997《交流高压断路器参数选用导则》附录B：短路电流的计量，选择断路器的短路开断电流为40kA，可计算出此时的直流分量百分数仅为。配电型断路器直流分量目前各开关厂家都可以达到40%，可以满足使用。在具体选用时可取高一档的额定电流值，如40kA（或50kA）。

（3）额定短路关合电流、峰值耐受电流

发电机断路器额定短路关合电流峰值（峰值耐受电流）为额定短路开断电流交流分量有效值的2.74倍[1]，而配电型断路器为2.5倍。按40kA的断路器来核算，40×2.5/16=6.25倍，可以满足使用。

（4）额定失步开断电流

发电机断路器为额定短路开断电流交流分量有效值的50%[2]，配电型断路器为25%。按40kA的断路器来核算，16kA×50%/40kA=20%，可以满足使用。在具体选用时可取高一档的额定电流值，如40kA（或50kA）。

（5）系统源的预期瞬态恢复电压及上升率

依据表1，发电机断路器为22kV，3.5 kV/μs，而配电型断路器为20.6kV，0.34kV/μs。为此必须采取限制过电压措施。采用氧化锌避雷器只能限制瞬态恢复电压幅值，并不能缓解瞬态恢复电压上升陡度，不能在发生重燃造成过电压时保护设备，而R-C吸收装置可以有效抑制瞬态恢复电压上升陡度、降低重燃概率。最佳的方法是通过加装氧化锌避雷器和R-C阻容吸收器并联使用，在降低瞬态恢复电压的幅值的同时来降低瞬态恢复电压上升率。

有关发电机出口真空断路器抑制瞬态恢复电压EMTP仿真计算结果如下[3]：

不加R-C吸收装置，瞬态恢复电压幅值49.3 kV，断口瞬态恢复电压陡度4.042 kV/μs；

加R-C吸收装置，瞬态恢复电压幅值18.9kV，断口瞬态恢复电压陡度0.472 kV/μs。

从以上计算结果可以看出，通过加装R-C吸收装置，瞬态恢复电压上升率降低至0.472 kV/μs（已接近于配电型断路器的0.34 kV/μs），瞬态恢复电压幅值降至18.9kV（已低于于配电型断路器的20.6 kV）。对于小于30MVA的小容量的发电机，其值应该更小。

（6）失步开断的预期瞬态恢复电压及上升率

发电机断路器依据表2为30kV，3.3 kV/μs，配电型断路器为30.6kV，0.26kV/μs，解决措施同4.2.5,通过加装氧化锌避雷器和R-C阻容吸收器并联使用，在降低瞬态恢复电压的幅值的同时来降低瞬态恢复电压上升率。

（7）时间常数

发电机断路器开断非对称短路电流时，其直流分量衰减时间通常大于45～100 ms，并有可能达到150ms。在短路电流要求小于断路器的额定短路开断电流的R10系列中至少一个等级的情况下，按45ms的时间常数试验过的断路器可以满足更高时间常数的要求。例如，按45ms时间常数试验的50 kA的断路器可以判定其对于40 kA且具有更高时间常数的场合足够[2]，其实质上是考核断路器开断直流分量的能力，与（2）要求相同。

5 结论

从以上的分析可以初步确定通过加装相应的过电压吸收装置，在30MVA以下的小容量发电站完全可以选用配电型真空断路器用于发电机出口保护，只要求其额定电流为3150A，额定短路开断电流为40kA（或50 kA）。这样的选择具有设备投入低、操作维修方便的特点。具体的真空断路器参数选择可以参照发电机的容量及上面的计算和分析。以上分析是基于小容量、接线型式为发电机变压器单元接线且有厂用分支出线或发电机直配线方式，对于其他方式需另行探讨。

[1] 中华人民共和国国家标准．GB/T14824-1993发电机断路器通用技术条件.北京：中国标准出版社,1994.

[2] 中华人民共和国国家标准.GB1984-2003高压交流断路器[S].北京.中国标准出版社,2003.

[3] 张万荣.发电机出口真空断路器瞬态恢复电压的研究[J].高压电器,2000(4).