淺析中小型發(fā)電機保護斷路器選型

1、    發(fā)電機型斷路器與通用型斷路器的技術(shù)性能比較
發(fā)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(kāi)段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(fā)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(shù)性能的技術(shù)參數要求苛刻得多。因為發(fā)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(shí)間常數均打得多。GB/T14824-1993中規定：在斷路器分閘時(shí)間加0.01S時(shí)，直流分量（DC%）約為68%，衰減時(shí)間常數為60ms，顯然較通用型斷路器的直流分量OC%‘2。%和衰減時(shí)間常數45ms要大;同時(shí)，額定短路關(guān)合電流也不相同，發(fā)電機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)電機型斷路器的銘牌除標有額定短路電流值外，同時(shí)還注明有直流分量(OC%)值，而通用型斷路器則僅標有額定短路電流值。通過(guò)比較可以看出，發(fā)電機型斷路器較通用型斷路器開(kāi)斷、關(guān)合條件均要苛刻，型式試驗的考核也相對嚴格得多。
2、發(fā)電機型斷路器的主要形式試驗考核內容
依據當前國際通用的ANSI/IEEEC37-013以對稱(chēng)電流為基礎的交流高壓發(fā)電機斷路器標準規定，對發(fā)電型斷路器形式試驗考核內容主要是：系統源短路的開(kāi)斷與關(guān)合、發(fā)電機源短路開(kāi)斷和失步開(kāi)斷與關(guān)合。其它的形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(kāi)斷與關(guān)合試驗。
發(fā)電機型斷路器是在非自動(dòng)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)恢復電壓（峰值）為1.7發(fā)電機最高工作電壓；瞬態(tài)恢復電壓的上升率為3.5KV/μs；關(guān)合實(shí)驗按2.74額定短路電流（峰值）合并進(jìn)行的。國外西屋和西門(mén)子公司在進(jìn)行此項實(shí)驗時(shí)，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(dòng)重合閘操作順序下進(jìn)行的。直流分量DC%<20%；瞬態(tài)恢復電壓（峰值）為1.71倍額定工作電壓；瞬態(tài)恢復電壓上升率為0.34 KV/μs；關(guān)合實(shí)驗是按2.5倍額定短路電流（峰值）與對稱(chēng)開(kāi)斷試驗合并進(jìn)行。當斷路器的分閘時(shí)間≥60ms時(shí)，則不必進(jìn)行非對稱(chēng)開(kāi)斷試驗。
上述兩種類(lèi)型斷路器的誓言考核，均相當于三相試驗時(shí)首開(kāi)相或者單相試驗時(shí)的條件。相比之下，即便是開(kāi)斷電流的數值相同，而發(fā)動(dòng)機型斷路器則是在高直流分量和瞬態(tài)恢復電壓下進(jìn)行開(kāi)斷，開(kāi)斷條件較通用型斷路器苛刻得多。
（2）    發(fā)電機源短路的開(kāi)斷試驗。
    發(fā)電機源短路的開(kāi)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(wú)法勝任的。
（3）    失步開(kāi)斷與關(guān)合試驗。
發(fā)電機型斷路器失步開(kāi)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(kāi)斷工頻恢復電壓為1.22倍發(fā)電機最高電壓；開(kāi)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)恢復電壓峰值為2.5倍發(fā)電機最高電壓；瞬態(tài)恢復電壓上升率為3.3 KV/μs；關(guān)合試驗按2.5倍對稱(chēng)開(kāi)斷電流分值量（峰值）與開(kāi)斷試驗合并進(jìn)行；國外西屋公司在進(jìn)行此項試驗時(shí)的直流分量（DC%）為80%；西門(mén)子公司為120%。
通用型斷路器的合、分失步開(kāi)斷與關(guān)合試驗，外施電壓和首相開(kāi)斷工頻恢復電壓為1.44倍系統最高電壓；開(kāi)斷電流為25%的交流分值有效值；直流分量DC%＜20%；瞬態(tài)恢復電壓峰值為2.55倍額定工作電壓；瞬態(tài)恢復電壓上升率為0.26 KV/μs；而對關(guān)合電流不作規定。
我國國家標準GB1984規定：失步開(kāi)斷僅適用于聯(lián)絡(luò )斷路器，對于通用型斷路器在10kV系統應用時(shí)，則不必進(jìn)行失步開(kāi)斷與關(guān)合此項試驗。該標準已被修訂，目前正在待批。相對比較，發(fā)電機型斷路器對失步開(kāi)斷與關(guān)合試驗不僅要做，而且直流分量和瞬態(tài)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(fā)電機型斷路器開(kāi)發(fā)研究過(guò)程
在發(fā)電機型斷路器未進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究之前，由于沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的發(fā)電機保護斷路器，設計選型只能是選擇額定電流大、短路開(kāi)斷電流大和直流分量大的斷路器用于發(fā)電機回路作為保護設備。
4、 中小型水利發(fā)電機保護斷路器設計的思考
（1）重視中小容量水力發(fā)電機保護斷路器的設計應用。發(fā)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(fā)電機保護賄賂主要保護電氣設備，所以，正確設計選擇發(fā)電機保護斷路器直接關(guān)系著(zhù)水電站后期的電氣設備合理投資、運行維護簡(jiǎn)單方便、保證水電站長(cháng)周期安全經(jīng)濟運行，事關(guān)重大，故而應予以認真對待。
（2）避免發(fā)電機保護斷路器設計選型的誤區。早期在發(fā)電機型斷路器標準未實(shí)施之前，因為沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的發(fā)電機保護斷路器產(chǎn)品，人們對于發(fā)電機斷路器設計選型，只是考慮額定電流、短路開(kāi)斷電流和直流分量較大，就可以應用于發(fā)電機回路。我國過(guò)去常用于中小容量水電站的發(fā)電機保護斷路器主要是少油SN3-10型和SN4-10型，這些產(chǎn)品的結構比較簡(jiǎn)單、技術(shù)落后、額定參數低、運行極不可靠、滿(mǎn)足不了當前發(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。設計選型發(fā)電機保護斷路器時(shí)，除應滿(mǎn)足額定電流、短路開(kāi)斷電流和直流分量的同時(shí)，必須充分考慮回路的時(shí)間參數，瞬態(tài)恢復電壓、失步開(kāi)斷電流和關(guān)合電流等其它參數，避免忽視這一因素的誤區，擇優(yōu)選擇符合發(fā)電機斷路器標準的產(chǎn)品。
（3）關(guān)于真空斷路器的截流過(guò)電壓保護。真空斷路器以良好的開(kāi)斷性能應用于發(fā)電機保護斷路器極為普遍。由于真空優(yōu)越的滅弧特性，往往在開(kāi)斷過(guò)程中發(fā)生截流現象，因為截流引起的操作過(guò)電壓，則與斷路器的結構和系統配置有關(guān)，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(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(mén)子公司已確認該公司的真空斷路器截流值已降低至3～5A。盡管如此，局限于產(chǎn)品制造的工藝水平和質(zhì)量保障體系的隨機性，相對于價(jià)格昂貴的水輪發(fā)電機而言，在發(fā)電機保護斷路器回路，仍應加裝過(guò)電壓保護裝置。
（4）精心設計，合理配置、確保發(fā)電機保護斷路器可靠運行。發(fā)電機是水力發(fā)電站的主機，而作為保護主機的斷路器則是保證發(fā)電機安全可靠運行的基礎，為重中之重。
熟悉掌握發(fā)電機保護斷路器各種技術(shù)參數和功能，對于能夠量化的技術(shù)參數，如額定工作電流、短路開(kāi)斷電流、直流分量（DC%）、最大關(guān)合電流等，設計中必須進(jìn)行認真準確地計算；對于隨機性的一些技術(shù)參數，如瞬態(tài)恢復電壓峰值、上升率、時(shí)間常數、截流值等，盡可能地進(jìn)行各種條件下的計算分析比較。根據已具備的設計數據，合理選擇斷路器的技術(shù)參數配置，確保發(fā)電機保護斷路器長(cháng)周期的可靠、安全、經(jīng)濟運行水平。
5、 結束語(yǔ)
影響斷路器開(kāi)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(fā)電機或者變壓器在保護斷路器開(kāi)斷過(guò)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(fā)電站設計中，當前仍應根據已經(jīng)執行國家標準規定的相關(guān)技術(shù)參數，合理配置發(fā)電機保護斷路器，應該是科學(xué)的、規范的、有益的最佳選擇。