小型水电站电气部分设计

【专家解说】：中小型水电站发电机保护断路器设计选型的思考 摘要：通常，人们习惯地对单机容量100MVA及以下的发电机组称为中小型发电机。鉴于我国能源综合利用开发的基本国策，自西部大开发以来，特别在西南地区，中小型水力发电机组建设拔地而起，产业结构也已具备了一定的规模，随着市场经济的发展，对于中小型水力发电机保护断路器的设计选型，改变以往使用通用型断路器为发电机型断路器的传统，已是大势所趋。 关键词：断路器 水电站 发电机 1 发电机型断路器与通用型断路器的技术性能比较 发电机型断路器与通用型断路器在机械特性、绝缘特性和电气特性的表述方式上基本相同。 如对短路开断电流均以交流分量有效值和直流分量百分数(DC%)表示；绝缘性能均以工频和雷电冲击耐压水平考核；机械特性考核项目等也基本相同。 发电机型断路器与通用型断路器的不同之处，是前者对某些技术性能的技术参数要求要苛刻得多。因为发电机的电感值较系统相对要大，作为保护断路器在瞬间所承受的直流分量和衰减时间常数均大得多。GB/T14824-1993中规定：在断路器分闸时间加0.01s时，直流分量(DC%)约为68%，衰减时间常数为60ms，显然较通用型断路器的直流分量DC%≤20%和衰减时间常数45ms要大；同时，额定短路关合电流也不相同，发电机型断路器因为直流分量较大，额定短路关合电流(峰值)为额定短路电流的2.74倍，而通用型断路器此值仅为2.5倍；在表述方式上，发电机型断路器的铭牌除标有额定短路电流值外，同时还注明有直流分量(DC%)值，而通用型断路器则仅标有额定短路电流值。 通过比较可以看出，发电机型断路器较通用型断路器开断、关合条件均要苛刻，型式试验的考核也相对严格得多。 2 发电机型断路器的主要型式试验考核内容 依据当前国际通用的ANSI/IEEEC37-013以对称电流为基础的交流高压发电机断路器标准规定，对发电型断路器型式试验考核内容主要是：系统源短路的开断与关合、发电机源短路开断和失步开断与关合。其它的型式试验考核与通用型断路器内容基本相同。 (1)系统源短路的开断与关合试验。发电机型断路器是在非自动重合闸操作顺序下进行。直流分量分DC%<20%及DC%>20%两种条件；瞬态恢复电压(峰值)为1.7倍发电机最高工作电压；瞬态恢复电压的上升率为3.5kV/μs；关合试验按2.74倍额定短路电流(峰值)合并进行的。国外西屋和西门子公司在进行此项试验时，直流分量(DC%)均按75%额定短路电流考核。 通用型断路器一般都是在自动重合闸操作顺序下进行的。直流分量(DC%)<20%；瞬态恢复电压(峰值)为1.71倍额定工作电压；瞬态恢复电压上升率为0.34kV/μs；关合试验是按2.5倍额定短路电流(峰值)与对称开断试验合并进行。当断路器的分闸时间≥60ms时，则不必进行非对称开断试验。 上述两种类型断路器的试验考核，均相当于三相试验时首开相或者单相试验时的条件。相比之下，即便是开断电流的数值相同，而发电机型断路器则是在高直流分量和瞬态恢复电压下进行开断，开断条件较通用型断路器苛刻得多。 (2)发电机源短路的开断试验。 发电机源短路的开断试验条件则更为苛刻，该试验具有更高的直流分量。按照ANSI/IEEEC37-013标准规定：此值为DC%=130%。对于这一试验考核，通用型断路器则是无法胜任的。 (3)失步开断与关合试验。 发电机型断路器失步开断与关合试验是在合、分条件下进行的。外施电压和首相开断工频恢复电压为1.22倍发电机最高电压；开断电流为50%的交流分量有效值；直流分量(DC%)分<20%和≥50%两种条件；瞬态恢复电压峰值为2.5倍发电机最高电压；瞬态恢复电压上升率为3.3kV/μs；关合试验按2.5倍对称开断电流交流分量值(峰值)与开断试验合并进行；国外西屋公司在进行此项试验时的直流分量(DC%)为80%；西门子公司为120%。 通用型断路器的合、分失步开断与关合试验，外施电压和首相开断工频恢复电压为1.44倍系统最高电压；开断电流为25%的交流分量有效值；直流分量(DC%)<20%；瞬态恢复电压峰值为2.55倍额定工作电压；瞬态恢复电压上升率为0.26kV/μs；而对关合电流不作规定。 我国国家标准GB1984规定：失步开断仅适用于联络断路器，对于通用型断路器在10kV系统应用时，则不必进行失步开断与关合此项试验。该标准已被修订，目前正在待批。相对比较，发电机型断路器对失步开断与关合试验不仅要做，而且直流分量和瞬态恢复电压值要大得多，这是通用型断路器不可能替代的。 3 发电机型断路器开发研究过程 在发电机型断路器未进行开发研究之前，由于没有专门的发电机保护断路器，设计选型只能是选择额定电流大、短路开断电流大和直流分量大的断路器用于发电机回路作为保护设备。 4 中小型水力发电机保护断路器设计的思考 (1)重视中小容量水力发电机保护断路器的设计应用。发电机保护断路器根据电站接入系统方式、在电力系统中的作用、可靠性数值计算等，选型作为发电机保护回路主要保护电气设备，所以，正确设计选择发电机保护断路器直接关系着水电站后期的电气设备合理投资、运行维护简单方便、保证水电站长周期安全经济运行，事关重大，故而应予以认真对待。 (2)避免发电机保护断路器设计选型的误区。早期在发电机型断路器标准未实施之前，因为没有专门的发电机保护断路器产品，人们对于发电机断路器设计选型，只是考虑额定电流、短路开断电流和直流分量较大，就可以应用于发电机回路。我国过去常用于中小容量水电站的发电机保护断路器主要是少油SN3-10型和SN4-10型，这些产品的结构比较简单、技术落后、额定参数低、运行极不可靠、满足不了当前发展中的中小型水力发电站的技术要求，逐步将被新型真空断路器所取代。设计选型发电机保护断路器时，除应满足额定电流、短路开断电流和直流分量的同时，必须充分考虑回路的时间常数，瞬态恢复电压、失步开断电流和关合电流等其它参数，避免忽视这一因素的误区，择优选择符合发电机断路器标准的产品。 (3)关于真空断路器的截流过电压保护。真空断路器以良好的开断性能应用于发电机保护断路器极为普遍。由于真空优越的灭弧特性，往往在开断过程中发生截流现象，因为截流引起的操作过电压，则与断路器的结构和系统配置有关，而且具有一定的随机性。国内外许多真空灭弧室制造商，对于真空灭弧室限制截流值的技术措施进行了一系列研究，并且取得了一定的效果，西屋公司和西门子公司已确认该公司的真空断路器截流值已降低至3A～5A。尽管如此，局限于产品制造的工艺水平和质量保障体系的随机性，相对于价格昂贵的水轮发电机而言，在发电机保护断路器回路，仍应加装过电压保护装置。 (4)精心设计，合理配置、确保发电机保护断路器可靠运行。发电机是水力发电站的主机，而作为保护主机的断路器则是保证发电机安全可靠运行的基础，为重中之重。 熟悉掌握发电机保护断路器各种技术参数和功能，对于能够量化的技术参数，如额定工作电流、短路开断电流、直流分量(DC%)、最大关合电流等，设计中必须进行认真准确地计算；对于随机性的一些技术参数，如瞬态恢复电压峰值、上升率、时间常数、截流值等，尽可能地进行各种条件下的计算分析比较。根据已具备的设计数据，合理选择断路器的技术参数配置，确保发电机保护断路器长周期的可靠、安全、经济运行水平。 5 结束语 影响断路器开断能力的因素，除了电流大小和直流分量之外，恢复电压峰值和上升率也是相当重要的。而对于发电机或者变压器在保护断路器开断过程中恢复电压峰值和上升率随其容量的变化，至今仍难作出定量的规定。在中小型水力发电站设计中，当前仍应根据已经执行国家标准规定的相关技术参数，合理配置发电机保护断路器，应该是科学的、规范的、有益的最佳选择。