发电机出口断路器的系统设计和应用
2014-06-06 19:50周利
中国高新技术企业 2014年7期
周利
摘要：随着节能降耗工作的不断开展，钢铁企业生产过程中副产煤气资源和低温余热等的综合利用来发电成为必然。文章发从实际设计和应用出发，总结了发电机出口断路器在从重钢新区自发电系统中得应用和好处，为类似自备电厂提供设计参考。
关键词：发电机短路；出口断路器；发电机系统设计
中图分类号：TU990 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）10-0024-02
重钢环保搬迁后，将实现钢产850万吨左右。在当前电力供应紧张的形势下，随着节能降耗工作的不断深入开展，钢铁企业生产过程中副产煤气资源和低温余热等的综合利用来发电成为必然。重钢长寿新区总的发电机组容量将达约480MW。发电机组容量一般在12～28.5MW内（个别搬迁的发电机组容量为50MW），发电机组的台数约20台，就近分散安装在各并网点。发电机数量众多，将带来短路电流大、直流分量持续时间长等不利于供电系统稳定的因素。下面以重钢长寿新区CCPP-CDQ项目CCPP区域的10kVⅡ段上的三菱燃机发电机组及其配套的汽轮机组为例进行分析和应用。
1 发电机短路的计算结果和特点
1.1 发电机组的主要参数如下表
1.2 系统接线示意图和短路电流计算电抗图
CCPP区域发电机系统10kVⅡ段上的系统接线示意图见图1；电抗图见图2（括号内为系统最小运行时的系统阻抗。
1.3 发电机短路的计算结果
d2点短路时，由于电抗器的限流作用，最大短路电流小于20kA。本次主要计算d1点短时，系统和发电机提供的周期和非周期电流分量。
直流分量衰减时间常数经计算如下：3#发电机的直流分量衰减时间常数约297毫秒；4#发电机的直流分量衰减时间常数约208毫秒。根据规范要求，直流分量衰减时间常数大于60毫秒就必须校验断路器直流分量的分断能力。
1.4 发电机短路的特点
（1）直流分量衰减时间常数较大，直流分量衰减慢，短路电流有经数百毫秒也不通过零点的情况；
（2）瞬态恢复电压上升速率大，交流电弧过零后复燃可能性大；
（3）存在失步开断问题：失步状况是在断路器操作瞬间，由于发电机和电力系统之间失去同步或达不到同步而引起的一种不正常回路状况。此时在断路器两边电压的旋转向量之间出现了相位差，这种相位差有可能超过正常值，甚至高达180°。显然，在失步状态下，断路器的合分能力将下降。这对发电机断路器将提出苛刻的条件。在全反相开断（失步角180°）情况下，额定失步开断值为额定短路开断电流值的25%。如果不考虑全反相开断，例如，仅设定最大失步角为90°，其额定失步开断电流用不大于额定开断电流的50%。失步故障电流虽然较小，但恢复电压较高（中性点不接地系统，工频恢复电压最大可为相电压的三倍），断路器开断失步故障的难度较大。发电机断路器一般为真空断路器，而真空断路器本身的短路电流开断的分析本文不在此详述。
2 发电机出口断路器的特殊要求
2.1 额定短路开断电流及其直流分量额定值
额定短路开断电流在下列系列中选取：31.5、40、50、63、80、100、125（135）、180、225、250、315（300）kA。
直流分量额定值：≥60%、≥80%。
2.2 额定瞬态恢复电压（TRV）
在100%额定短路开断电流下的额定瞬态恢复电压特性与电源侧设备类型有关。
当短路电流来自变压器组时，TRV特征值为：
注：U为断路器的最高电压，TRV的时延不得超过1μs。当短路电流来自发电机时，TRV特征值为：
注：U为断路器的最高电压，TRV的时延不得超过0.5μs，幅值系数为1.5，首开相系数为1.5。
对它能灭弧原理的发电机断路器只进行100%方式下的试验；对自能灭弧原理的发电机断路器应进行30%、60%和100%方式下的试验。这些试验方式下的TRV特征值一律按100%方式的要求整定。
3 3#和4#发电机出口断路器的主要参数和优点
3.1 发电机出口断路器的主要参数
3.2 发电机出口断路器的优点
（1）利用断路器触头分离产生很高的电弧电压，来增大与串联的电弧电阻，使短路电流直流分量快速衰减，从而强迫过零。也就是说，发电机出口断路器能满足不过零时切断短路电流，而不致产生危险的过电压。
（2）发电机出口断路器的设计采用传统的断路器极柱构造，极柱通过环氧树脂绝缘体安装在同一机座位上。通过强固的支撑，极柱部分可固定真空灭弧室，保证其完全免受外力的作用。极其牢固和敞开式的构造允许极柱部分的自然风冷。这种设计基础允许高机械和电气开断循环，高绝缘水平和大额定电流。弹簧驱动机构和其它辅助机构被整合在机构箱里，包括驱动机构、电动机构、辅助开关、脱扣线圈、操作计数器、机械操作和指示机构。
（3）三相联动操作机构能提供安全的同步操作，减小升压变压器的故障平均恢复时间和发电机的故障平均恢复时间，使电厂的可利用率增加，从而提高电厂的效益。
（4）额定瞬态恢复电压高，瞬态恢复电压上升率大，利于电弧的熄灭。
4 发电机出口断路器在CCPP区域的应用
CCPP区域供电系统一次主接线示意图（图3）
从图中可看出，重钢长寿新区供电系统的主要接线方式如下：
（1）冶炼110kV区域变电站的两路110kV进线接自重钢长寿新区220kV中央变电站110kV铁系统母线；轧钢和钢轧110kV区域变电站的110kV进线接自重钢长寿新区220kV中央变电站110kV钢系统母线。
（2）重钢长寿新区220kV中央变电站现设有5台220/110/35kV，120MVA的主变压器，其中仅以110kV电压等级向重钢长寿新区各110kV区域变电站供电。110kV主接线为双母线双分段接线，正常运行方式每一段110kV母线上均有一套CCPP的两台发电机并网。
而CCPP区域供电系统的呈现出如下特点：
（1）发电机装机容量大，有8台发电机，共228.5MW；
（2）每段10kV母线有两台发电机，扣除自用电后每段上网的电能约50MW，通过63MVA的升压变压器升至110kV。110kV为双母线双分段接线。
（3）110kV并网点有三处，分别是冶炼、轧钢、钢轧110kV区域变电站。
由以上特点分析可知，正常情况下CCPP区域的CCPP机组投入或退出时，对重钢长寿电网的影响极大，必须由重钢长寿调度中心与CCPP发电厂密切配合才能确保重钢长寿电网的稳定运行。而在CCPP区域发电机组的运行方式和各种故障状态下，其10kV发电机系统选择额定电流大、开断电流大、直流分量持续时间长的质量可靠的发电机出口断路器对提高重钢长寿新区供电可靠性具有极其重要的意义。
5 结语
发电机出口断路器作为发电厂最重要的开关设备，具有以下重要作用：（1）实现了发电机、变压器分别地、有选择地进行保护跳闸，简化了保护接线，而且机组内部故障无须动作于高压断路器从而避免了厂用电源的切换，这对于消除一些瞬时性故障特别是来自于锅炉、汽轮机的热工误发信号，尽快恢复机组的运行及避免因误操作而导致的损失非常有益；（2）能够及时切除发电机类型短路故障；（3）保证发电厂的生产，提高发电时间，产生较大的经济效益；提高了重钢长寿新区生产过程中产生的副产煤气资源的利用率，为实现副产煤气的零排放提供了技术上的必要保证；（4）保证了供电系统的稳定和可靠性。
摘要：随着节能降耗工作的不断开展，钢铁企业生产过程中副产煤气资源和低温余热等的综合利用来发电成为必然。文章发从实际设计和应用出发，总结了发电机出口断路器在从重钢新区自发电系统中得应用和好处，为类似自备电厂提供设计参考。
关键词：发电机短路；出口断路器；发电机系统设计
中图分类号：TU990 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）10-0024-02
重钢环保搬迁后，将实现钢产850万吨左右。在当前电力供应紧张的形势下，随着节能降耗工作的不断深入开展，钢铁企业生产过程中副产煤气资源和低温余热等的综合利用来发电成为必然。重钢长寿新区总的发电机组容量将达约480MW。发电机组容量一般在12～28.5MW内（个别搬迁的发电机组容量为50MW），发电机组的台数约20台，就近分散安装在各并网点。发电机数量众多，将带来短路电流大、直流分量持续时间长等不利于供电系统稳定的因素。下面以重钢长寿新区CCPP-CDQ项目CCPP区域的10kVⅡ段上的三菱燃机发电机组及其配套的汽轮机组为例进行分析和应用。
1 发电机短路的计算结果和特点
1.1 发电机组的主要参数如下表
1.2 系统接线示意图和短路电流计算电抗图
CCPP区域发电机系统10kVⅡ段上的系统接线示意图见图1；电抗图见图2（括号内为系统最小运行时的系统阻抗。
1.3 发电机短路的计算结果
d2点短路时，由于电抗器的限流作用，最大短路电流小于20kA。本次主要计算d1点短时，系统和发电机提供的周期和非周期电流分量。
直流分量衰减时间常数经计算如下：3#发电机的直流分量衰减时间常数约297毫秒；4#发电机的直流分量衰减时间常数约208毫秒。根据规范要求，直流分量衰减时间常数大于60毫秒就必须校验断路器直流分量的分断能力。
1.4 发电机短路的特点
（1）直流分量衰减时间常数较大，直流分量衰减慢，短路电流有经数百毫秒也不通过零点的情况；
（2）瞬态恢复电压上升速率大，交流电弧过零后复燃可能性大；
（3）存在失步开断问题：失步状况是在断路器操作瞬间，由于发电机和电力系统之间失去同步或达不到同步而引起的一种不正常回路状况。此时在断路器两边电压的旋转向量之间出现了相位差，这种相位差有可能超过正常值，甚至高达180°。显然，在失步状态下，断路器的合分能力将下降。这对发电机断路器将提出苛刻的条件。在全反相开断（失步角180°）情况下，额定失步开断值为额定短路开断电流值的25%。如果不考虑全反相开断，例如，仅设定最大失步角为90°，其额定失步开断电流用不大于额定开断电流的50%。失步故障电流虽然较小，但恢复电压较高（中性点不接地系统，工频恢复电压最大可为相电压的三倍），断路器开断失步故障的难度较大。发电机断路器一般为真空断路器，而真空断路器本身的短路电流开断的分析本文不在此详述。
2 发电机出口断路器的特殊要求
2.1 额定短路开断电流及其直流分量额定值
额定短路开断电流在下列系列中选取：31.5、40、50、63、80、100、125（135）、180、225、250、315（300）kA。
直流分量额定值：≥60%、≥80%。
2.2 额定瞬态恢复电压（TRV）
在100%额定短路开断电流下的额定瞬态恢复电压特性与电源侧设备类型有关。
当短路电流来自变压器组时，TRV特征值为：
注：U为断路器的最高电压，TRV的时延不得超过1μs。当短路电流来自发电机时，TRV特征值为：
注：U为断路器的最高电压，TRV的时延不得超过0.5μs，幅值系数为1.5，首开相系数为1.5。
对它能灭弧原理的发电机断路器只进行100%方式下的试验；对自能灭弧原理的发电机断路器应进行30%、60%和100%方式下的试验。这些试验方式下的TRV特征值一律按100%方式的要求整定。
3 3#和4#发电机出口断路器的主要参数和优点
3.1 发电机出口断路器的主要参数
3.2 发电机出口断路器的优点
（1）利用断路器触头分离产生很高的电弧电压，来增大与串联的电弧电阻，使短路电流直流分量快速衰减，从而强迫过零。也就是说，发电机出口断路器能满足不过零时切断短路电流，而不致产生危险的过电压。
（2）发电机出口断路器的设计采用传统的断路器极柱构造，极柱通过环氧树脂绝缘体安装在同一机座位上。通过强固的支撑，极柱部分可固定真空灭弧室，保证其完全免受外力的作用。极其牢固和敞开式的构造允许极柱部分的自然风冷。这种设计基础允许高机械和电气开断循环，高绝缘水平和大额定电流。弹簧驱动机构和其它辅助机构被整合在机构箱里，包括驱动机构、电动机构、辅助开关、脱扣线圈、操作计数器、机械操作和指示机构。
（3）三相联动操作机构能提供安全的同步操作，减小升压变压器的故障平均恢复时间和发电机的故障平均恢复时间，使电厂的可利用率增加，从而提高电厂的效益。
（4）额定瞬态恢复电压高，瞬态恢复电压上升率大，利于电弧的熄灭。
4 发电机出口断路器在CCPP区域的应用
CCPP区域供电系统一次主接线示意图（图3）
从图中可看出，重钢长寿新区供电系统的主要接线方式如下：
（1）冶炼110kV区域变电站的两路110kV进线接自重钢长寿新区220kV中央变电站110kV铁系统母线；轧钢和钢轧110kV区域变电站的110kV进线接自重钢长寿新区220kV中央变电站110kV钢系统母线。
（2）重钢长寿新区220kV中央变电站现设有5台220/110/35kV，120MVA的主变压器，其中仅以110kV电压等级向重钢长寿新区各110kV区域变电站供电。110kV主接线为双母线双分段接线，正常运行方式每一段110kV母线上均有一套CCPP的两台发电机并网。
而CCPP区域供电系统的呈现出如下特点：
（1）发电机装机容量大，有8台发电机，共228.5MW；
（2）每段10kV母线有两台发电机，扣除自用电后每段上网的电能约50MW，通过63MVA的升压变压器升至110kV。110kV为双母线双分段接线。
（3）110kV并网点有三处，分别是冶炼、轧钢、钢轧110kV区域变电站。
由以上特点分析可知，正常情况下CCPP区域的CCPP机组投入或退出时，对重钢长寿电网的影响极大，必须由重钢长寿调度中心与CCPP发电厂密切配合才能确保重钢长寿电网的稳定运行。而在CCPP区域发电机组的运行方式和各种故障状态下，其10kV发电机系统选择额定电流大、开断电流大、直流分量持续时间长的质量可靠的发电机出口断路器对提高重钢长寿新区供电可靠性具有极其重要的意义。
5 结语
发电机出口断路器作为发电厂最重要的开关设备，具有以下重要作用：（1）实现了发电机、变压器分别地、有选择地进行保护跳闸，简化了保护接线，而且机组内部故障无须动作于高压断路器从而避免了厂用电源的切换，这对于消除一些瞬时性故障特别是来自于锅炉、汽轮机的热工误发信号，尽快恢复机组的运行及避免因误操作而导致的损失非常有益；（2）能够及时切除发电机类型短路故障；（3）保证发电厂的生产，提高发电时间，产生较大的经济效益；提高了重钢长寿新区生产过程中产生的副产煤气资源的利用率，为实现副产煤气的零排放提供了技术上的必要保证；（4）保证了供电系统的稳定和可靠性。
摘要：随着节能降耗工作的不断开展，钢铁企业生产过程中副产煤气资源和低温余热等的综合利用来发电成为必然。文章发从实际设计和应用出发，总结了发电机出口断路器在从重钢新区自发电系统中得应用和好处，为类似自备电厂提供设计参考。
关键词：发电机短路；出口断路器；发电机系统设计
中图分类号：TU990 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）10-0024-02
重钢环保搬迁后，将实现钢产850万吨左右。在当前电力供应紧张的形势下，随着节能降耗工作的不断深入开展，钢铁企业生产过程中副产煤气资源和低温余热等的综合利用来发电成为必然。重钢长寿新区总的发电机组容量将达约480MW。发电机组容量一般在12～28.5MW内（个别搬迁的发电机组容量为50MW），发电机组的台数约20台，就近分散安装在各并网点。发电机数量众多，将带来短路电流大、直流分量持续时间长等不利于供电系统稳定的因素。下面以重钢长寿新区CCPP-CDQ项目CCPP区域的10kVⅡ段上的三菱燃机发电机组及其配套的汽轮机组为例进行分析和应用。
1 发电机短路的计算结果和特点
1.1 发电机组的主要参数如下表
1.2 系统接线示意图和短路电流计算电抗图
CCPP区域发电机系统10kVⅡ段上的系统接线示意图见图1；电抗图见图2（括号内为系统最小运行时的系统阻抗。
1.3 发电机短路的计算结果
d2点短路时，由于电抗器的限流作用，最大短路电流小于20kA。本次主要计算d1点短时，系统和发电机提供的周期和非周期电流分量。
直流分量衰减时间常数经计算如下：3#发电机的直流分量衰减时间常数约297毫秒；4#发电机的直流分量衰减时间常数约208毫秒。根据规范要求，直流分量衰减时间常数大于60毫秒就必须校验断路器直流分量的分断能力。
1.4 发电机短路的特点
（1）直流分量衰减时间常数较大，直流分量衰减慢，短路电流有经数百毫秒也不通过零点的情况；
（2）瞬态恢复电压上升速率大，交流电弧过零后复燃可能性大；
（3）存在失步开断问题：失步状况是在断路器操作瞬间，由于发电机和电力系统之间失去同步或达不到同步而引起的一种不正常回路状况。此时在断路器两边电压的旋转向量之间出现了相位差，这种相位差有可能超过正常值，甚至高达180°。显然，在失步状态下，断路器的合分能力将下降。这对发电机断路器将提出苛刻的条件。在全反相开断（失步角180°）情况下，额定失步开断值为额定短路开断电流值的25%。如果不考虑全反相开断，例如，仅设定最大失步角为90°，其额定失步开断电流用不大于额定开断电流的50%。失步故障电流虽然较小，但恢复电压较高（中性点不接地系统，工频恢复电压最大可为相电压的三倍），断路器开断失步故障的难度较大。发电机断路器一般为真空断路器，而真空断路器本身的短路电流开断的分析本文不在此详述。
2 发电机出口断路器的特殊要求
2.1 额定短路开断电流及其直流分量额定值
额定短路开断电流在下列系列中选取：31.5、40、50、63、80、100、125（135）、180、225、250、315（300）kA。
直流分量额定值：≥60%、≥80%。
2.2 额定瞬态恢复电压（TRV）
在100%额定短路开断电流下的额定瞬态恢复电压特性与电源侧设备类型有关。
当短路电流来自变压器组时，TRV特征值为：
注：U为断路器的最高电压，TRV的时延不得超过1μs。当短路电流来自发电机时，TRV特征值为：
注：U为断路器的最高电压，TRV的时延不得超过0.5μs，幅值系数为1.5，首开相系数为1.5。
对它能灭弧原理的发电机断路器只进行100%方式下的试验；对自能灭弧原理的发电机断路器应进行30%、60%和100%方式下的试验。这些试验方式下的TRV特征值一律按100%方式的要求整定。
3 3#和4#发电机出口断路器的主要参数和优点
3.1 发电机出口断路器的主要参数
3.2 发电机出口断路器的优点
（1）利用断路器触头分离产生很高的电弧电压，来增大与串联的电弧电阻，使短路电流直流分量快速衰减，从而强迫过零。也就是说，发电机出口断路器能满足不过零时切断短路电流，而不致产生危险的过电压。
（2）发电机出口断路器的设计采用传统的断路器极柱构造，极柱通过环氧树脂绝缘体安装在同一机座位上。通过强固的支撑，极柱部分可固定真空灭弧室，保证其完全免受外力的作用。极其牢固和敞开式的构造允许极柱部分的自然风冷。这种设计基础允许高机械和电气开断循环，高绝缘水平和大额定电流。弹簧驱动机构和其它辅助机构被整合在机构箱里，包括驱动机构、电动机构、辅助开关、脱扣线圈、操作计数器、机械操作和指示机构。
（3）三相联动操作机构能提供安全的同步操作，减小升压变压器的故障平均恢复时间和发电机的故障平均恢复时间，使电厂的可利用率增加，从而提高电厂的效益。
（4）额定瞬态恢复电压高，瞬态恢复电压上升率大，利于电弧的熄灭。
4 发电机出口断路器在CCPP区域的应用
CCPP区域供电系统一次主接线示意图（图3）
从图中可看出，重钢长寿新区供电系统的主要接线方式如下：
（1）冶炼110kV区域变电站的两路110kV进线接自重钢长寿新区220kV中央变电站110kV铁系统母线；轧钢和钢轧110kV区域变电站的110kV进线接自重钢长寿新区220kV中央变电站110kV钢系统母线。
（2）重钢长寿新区220kV中央变电站现设有5台220/110/35kV，120MVA的主变压器，其中仅以110kV电压等级向重钢长寿新区各110kV区域变电站供电。110kV主接线为双母线双分段接线，正常运行方式每一段110kV母线上均有一套CCPP的两台发电机并网。
而CCPP区域供电系统的呈现出如下特点：
（1）发电机装机容量大，有8台发电机，共228.5MW；
（2）每段10kV母线有两台发电机，扣除自用电后每段上网的电能约50MW，通过63MVA的升压变压器升至110kV。110kV为双母线双分段接线。
（3）110kV并网点有三处，分别是冶炼、轧钢、钢轧110kV区域变电站。
由以上特点分析可知，正常情况下CCPP区域的CCPP机组投入或退出时，对重钢长寿电网的影响极大，必须由重钢长寿调度中心与CCPP发电厂密切配合才能确保重钢长寿电网的稳定运行。而在CCPP区域发电机组的运行方式和各种故障状态下，其10kV发电机系统选择额定电流大、开断电流大、直流分量持续时间长的质量可靠的发电机出口断路器对提高重钢长寿新区供电可靠性具有极其重要的意义。
5 结语
发电机出口断路器作为发电厂最重要的开关设备，具有以下重要作用：（1）实现了发电机、变压器分别地、有选择地进行保护跳闸，简化了保护接线，而且机组内部故障无须动作于高压断路器从而避免了厂用电源的切换，这对于消除一些瞬时性故障特别是来自于锅炉、汽轮机的热工误发信号，尽快恢复机组的运行及避免因误操作而导致的损失非常有益；（2）能够及时切除发电机类型短路故障；（3）保证发电厂的生产，提高发电时间，产生较大的经济效益；提高了重钢长寿新区生产过程中产生的副产煤气资源的利用率，为实现副产煤气的零排放提供了技术上的必要保证；（4）保证了供电系统的稳定和可靠性。
