真空发电机出口断路器及成套设备

芮祖存 任旭会 沈林冲 周富强 严俊

（1． 库柏电子科技（上海）有限公司 2． 法腾电力科技有限公司3． 宁波耐吉新星自动化设备有限公司 4． 中安达电气科技股份有限公司5． 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司）

0 引言

随着节能、环保要求的日益提高，天然气、水力发电、联合循环工厂等新能源发电越来越多，这些小型发电机的容量一般小于100MVA，额定电流在5000A及以下。使用传统的SF6发电机断路器体积、重量、价格等不适用于小型发电机的要求，而一般配电真空断路器并不能随便用于发电机和升压变保护。

1 发电机断路器的标准及参数要求

1997年，IEEE制定了名为 C37.013—1997《交流高压发电机断路器的IEEE标准》的标准。该标准的目的是考虑发电机断路器所需的严格操作能力下的参数。适用于中央电站发电机额定电流为6300A及以上，通常是带有液压操作器固定安装的SF6绝缘断路器。近年来，越来越多的小型发电机被使用，额定电流范围在1200A～6000A之间。大型发电机所需的许多相同的严格耐受参数，也适用于小型发电机，IEEE一直在准备C37.013的补充，特别是针对100MVA范围的小型发电机的断路器。IEC和IEEE在2015年联合发布了IEC/IEEE 62271-37-013交流发电机断路器标准, 该标准是IEC 62271的一部分，适用于室内或室外安装，额定电压1～38kV，额定频率50Hz和60Hz，安装在额定值为10MVA及以上的发电机与升压变之间的发电机断路器。发电机额定小于10MVA的回路和抽水蓄能装置被认为是特殊的，应用程序及其要求未完全包含在该标准中。GB/T14824－2008标准是采用IEEE C37.013:1997标准进行全面修订的，适用于安装在发电机和升压变之间所有的高压交流发电机断路器。

区别于一般配电断路器，发电机断路器主要有以下严格使用要求：

图1 发电机系统短路故障

1）系统源故障短路电流。参照图1的单线表示法，在安全开断电源中的短路故障方面存在重要问题。配电电路断路器通常无法处理的发电机电路。在系统源故障中，发电机断路器必须开断通常很高的系统源贡献的短路电流，由于变压器和连接母线的阻抗不受限制。断路器不仅要开断对称短路电流，但通常很高的直流分量百分比会迫使产生更高的不对称短路值。例如，假设直流分量为75%，使用公则50kA的对称故障将导致70kA非对称故障，发电机断路器必须能够安全开断。

发电机源故障短路电流：由于系统 “电流延迟过零”的效果，安全开断故障电流的问题变得更加复杂，这是由于系统的X/R（电感与电阻）比率过高导致的，短路电流的不对称分量超过100%。这种很高的直流分量的作用是导致第一个过零点被延迟几个周期。由于断路器是依靠电流过零点来开断短路电流的，这种过零时间的延迟要求断路器要足够坚固，以承受更长时间的电弧、电气、机械和热应力作用在断路器上的额外影响。

2）失步开断、关合功能。断路器还必须承受可能发生的失步开断。同步性差，或者发电机和线路之间电压和频率的不同步时的意外闭合。

3）较高的绝缘能力。发电机电压可能会发生变化，并且随着断路器的断开而加速。这可能会在断路器上施加高达额定电压2.5倍的电压。因此，C37.013要求额定电压15～17.5kV发电机断路器雷电冲击电压110kV，工频额定50kV，比配电断路器要求高，对于15kV及以下的发电机断路器，则耐压值相同。

4）瞬态恢复电压（TRV）。在触头开断的瞬间，整个灭弧室触头间隙的介电强度减小到最小，在整个触头间隙上产生的电压高达线对线电压的两倍。这称为瞬态恢复电压。特别是对于发电机，此TRV在3.5～4.0 kV /μs的范围内会迅速出现峰值，发电机断路器必须承受该TRV的上升速率，并尝试在第一个电流过零时开断电流。TRV的上升率以RRRV计量，配电断路器的RRRV只有0.4～1 kV /μs。

2 典型真空发电机断路器的试验参数

典型真空发电机断路器的试验参数如下表所示。

表 典型真空发电机断路器的试验参数

3 发电机真空断路器开关柜的好处

发电机真空断路器开关柜有如下好处：

（1）安全性

无需处理开关气体，也不需要高、低气压的监控，空气作为绝缘介质，始终可用符合IEC 62271-200的工厂组装，经过类型测试的开关柜；使用免维护，通过型式试验的真空断路器，在额定电流下可运行10000个操作循环；由于真空断路器内部的活动部件数量少，因此真空断路器的可靠性很高；具有高压开关柜标准规定的安全要求：所有操作均关闭高压门进行，IAC A FLR的内部电弧试验开关设备，抵抗内部故障，通过管道集中泄压，服务连续性类别LSC 2B，隔墙等级PM（抗压设计的金属覆层），标准防护等级IP4X，逻辑机械联锁系统。

（2）环境友好性

开关设备和所有组件的使用寿命长（超过20年）；空气作为绝缘介质，对环境无害；真空开关技术，每隔几年不充气；切换电弧或内部电弧时，无毒物分解产物；无需压力监测；所使用的材料无需特殊知识即可完全回收。

（3）灵活性

使用全球可用的标准组件，标准化电流、电压互感器；低压设备的灵活性（不同的隔室尺寸，可插拔的电线，可移动的低压舱）；可以在功率扩容的情况下进行改装（附加电缆，新的互感器）没有问题；模块化设计，快速访问提供的所有隔间，工厂组装和测试，从而减少了安装工作和现场调试抽出式设计，可快速更换断路器，易于处置。

4 发电机真空断路器开关柜应用

典型一次方案图如图2所示，发电机断路器两侧都装有电压互感器、接地开关、阻容吸收器，在靠近发电机一侧，燃气轮机等应用要求增加一台SFC静态变频启动出线柜，SFC把频率可调的交变电流加到发电机定子上，使发电机变成电动机动起来带动同轴的燃气轮机启动；在升压变一侧，有些需要辅助扩展出线。

1）不同于SF6发电机断路器自身配备两侧接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器阻容吸收装置等组成系统设备，真空断路器安装于金属铠装开关柜内，因此一次元器件、铜母排都安装在金属外壳里面，一般4000A及以下的发电机断路器同普通配电断路器尺寸相同，都采用中置式结构，而大于4000A一般采用落地式结构，还有采用隔离开关加固定式断路器水平布置结构。真空发电机开关柜按高压开关柜的标准GB3906/IEC62271-200设计、考核。

2）一般主要由中间两台开关柜组成，如图3所示。即左侧作为发电机进线断路器柜，主要包括发电机侧阻容吸收器、电压互感器、接地开关；右侧作为辅助出线柜，使升压变侧阻容吸收器、电压互感器和接地开关；也有一些应用只要求在断路器一侧安装阻容吸收装置和电压互感器的，从而实现一台开关柜上进下出的设计； 如需要SFC和辅助电源出线的两侧还要各增加两台开关柜。

图2 典型发电机断路器开关柜一次系统图

图3 发电机真空断路器开关柜布置

对于5000A以上的更多隔离开关加固定式断路器水平布置结构，如图4所示，按单线图依次布置元器件，属于金属封闭式开关柜结构，没有金属板隔室分隔。这种结构散热条件好，有利于大电流温升 ，同样安装维护方便。

图4 发电机真空断路器开关柜水平布置

图5 车载发电机真空断路器开关柜单线图

3）车载发电机出口开关柜。以GE TM2500车载真空发电机断路器开关柜为例，介绍车载发电机出口开关柜。由于应用于发电机出口，直接与发电机相连，首先需要满足系统要求，即选用50kA发电机出口断路器作为主开关，两侧压变、CT配备，还需要发电机中性点CT及中性点接地变压器；由于安装在拖车上，因此需要重量轻，尺寸小；环境要求，户外安装，需要满足NEMA 3R (IP24)要求；户外使用，所有连密封，表面处理满足ISO 12944C5 I/M，15年使用寿命要求；高低温要求-39℃到55℃；车载运输，满足震动要求；快速反应，需要快速插拔，一次电缆和二次控制系统；全球应用，50/60Hz，转换开关选择，配备具有关合能力的接地开关，产品及配套元器件需要满足IEEE/IEC/GB标准，低压连接箱CE认证。

一次方案：断路器发电机侧配有电压互感器、电流互感器、电容吸收器、避雷器、带电显示器及接地开关；断路器线路侧配有电流互感器、电压互感器、带电显示器；发电机中性点侧经电流互感器到接地变压器，接地电阻器实现高阻接地。车载发电机真空断路器开关柜单线图如图5所示。

TM2500开关柜直接与发电机相连接，在发电机两侧，分别有线路侧和中性点侧边柜，用于与发电机端子相连，线路侧边柜与母线桥、转接柜连接到开关柜；开关柜由两台开关柜组成为一户外箱，为实现结构、重量要求，开关柜宽度按从2m减为1.8m，通过采用开关柜贴框架的型式设计防水户外箱，采用低压电流互感器等措施重量减少20%+，完全符合重量小于3t的要求；发电机中性点侧边柜安装有4个2500/5的二次绕组电流互感器，采用环氧浇铸块状型式电流互感器需要两个，而采用4个穿心式低压互感器则尺寸、重量大为减少，铜排经穿心电流互感器后短接，电缆连接到辅助柜内部的中性点变压器，变压器二次端连接到中性点电阻。

TM2500开关柜有一次电缆连接箱，每相可安装4根500平方电缆，电缆密封采用ROXTEC密封件保证防护等级；低压侧则所有外部连接线连接到专用快速插拔箱内，按电流、电压等功能集中到快速插拔座内，现场只需将插拔头插入即实现连接。车载发电机真空断路器开关柜布置示意图如图6所示。

燃气发电，清洁、高效，而车载移动发电更加灵活、迅速。

图6 车载发电机真空断路器开关柜布置示意图

5 结束语

真空断路器体积小，重量轻，用于小型发电机的出口保护可以灵活配置，现有发电机真空断路器的最大额定电流可达6700A，开断电流75kA，可用于最大到170MW的发电机；随着真空开断技术的不断进步，开断电流越来越大的真空断路器将研发出来，从而可以进一步发挥发电机真空开关柜的安全性、环保性、灵活性等特点，可广泛应用于清洁能源、调峰电站等小型燃气发电机、水轮发电机设备中；如车载燃气发电具有灵活性、快速性，从运输到供电前后仅需两周时间，而搭建一座传统发电站并投运则需要三到六个月，对于救急抢险、灾后重建等临时供电保证起到重要作用。针对不同发电机的应用，有针对的系统设计开关柜解决方案，定制化设计，可以满足客户特殊需求。