中小型水电站发电机专用断路器的选择

殷晓安

（湖南水利水电职业技术学院，湖南长沙　410131）



中小型水电站发电机专用断路器的选择

殷晓安

（湖南水利水电职业技术学院，湖南长沙410131）

摘要：正确设计选择发电机保护断路器直接关系到水电站后期的电气设备合理投资、运行维护及保证水电站长周期安全经济地运行。过去中小型水轮发电机大都选用普通型的油断路器或真空断路器或SF6断路器等，近些年来选用普通真空断路器的越来越多。中小型水电站应根据不同接线方式、不同容量的发电机出口断路方法，选择发电机专用断路器。

关键词：水电站；发电机；断路器；接线方式

在湖南中小型水电站多，大部分水电站已经运行20～30年，近几年水电站都在陆续进行增效扩容改造。本文对单机容量（5-30）MW小型水电站常用发电机不同接线方式下，发电机出口专用断路器的选择进行探讨。

1　发电机出口专用断路器的选择

在30MVA以下的发电机变压器组单元接线的小容量发电站是否需要选用专用断路器呢？现以某水电站为例进行探讨。若某水电站水轮发电机容量为30MW，发电机出口电压为10kV，所连接的升压变压器容量为40000kVA。水电站电气主接线采用发电机变压器组单元接线。

（1）额定电流。发电机的额定电流IF:

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30000kVA，cosΦ为发电机的功率因数约取0.8。代入公式得IF：

发电机断路器的额定电流IFB=1.05，IF=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，能满足要求。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，经计算，30MW发电机、37.5MVA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16×0.8×＝12.8×kA。根据DL/T615-1997《交流高压断路器参数选用导则》附录B的短路电流计量，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12.8×/40×=32%。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，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%，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。经查瞬态恢复电压及上升率的有关资料，发电机断路器为22kV，3.5 kV/μs，而配电型断路器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。

（6）失步开断的预期瞬态恢复电压及上升率。经查相关资料，失步开断的预期瞬态恢复电压及上升率，发电机断路器为30kV，3.3kV/μs，配电型断路器为30.6kV，0.26kV/μs，解决办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。

（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45～100ms，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50kA的断路器可以判定其对于40kA且具有更高时间常数的场合足够，其实质上是考核断路器开断直流分量的能力。

经上所述，30MVA以下的小容量水电站，采用发电机变压器组单元接线时不需要选用专用断路器，完全可以选用配电型真空断路器用于发电机出口保护。

2　扩大单元回路接线

在扩大单元回路接线中，单机容量多大的发电机出口处需要选用专用的断路器呢？若某水电站发电机为2台，容量均为20MW，变压器容量为50MVA，发电机出口电压为6.3kV，水电站电气主接线采用二机一变扩大单元接线方式，电气主接线略。设cosΦ=0.8，Xd＂=0.18，Uj=Up，Sj=100MW，直流分量衰减时间按断路器开断时间60ms计算，6.3kV母线三相短路计算结果列表1。针对二机一变扩大单元接线的不同容量的发电机，所连接的升压变压器容量按2台机组容量选配标准的变压器容量确定，经计算，将单机不同容量下（6.5MW～30MW）的三相短路电流计算结果如表1所示。

表1　6.3kV母线三相短路计算结果

对于12.5MW的发电机、额定电流1431A，选用1600A、7.2KV的普通断路器，经查额定短路开断电流为31.5KA，额定短路关合电流80KA，对照表1计算结果，普通断路器能够满足要求。而对于15MW的发电机，额定电流为1718A，选用2500A的普通断路器，经查额定短路开断电流为40KA，额定短路关合电流100KA，对照表1计算结果，显然普通断路器额定短路关合电流无法满足要求。目前普通真空断路器额定短路开断电流一般为40KA，所以大于15MW的发电机一般真空断路器难以达到要求。

直流分量是否满足要求呢？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1，15MW发电机、40MVA变压器，其短路电流最大取38.16kA。根据DL/T615-1997《交流高压断路器参数选用导则》附录B的短路电流计量，选择断路器的短路开断电流为40kA，但断路器安装地点的短路电流值为38.16kA。当机构快速动作致使开断电流中的直流分量达到60%时，直流分量值达到38.16× 0.6×kA，可计算出此时的直流分量百分数仅为38.16× 0.6×/40×=57.24%。配电型断路器直流分量目前各开关厂家只能达到40%，显然也不能满足要求；60ms时，直流分量百分数为23.27/40=58.18%，配电型断路器满足不了要求。

经上所述，12.5MVA及以下的小容量水电站，采用扩大单元回路接线时不需要选用专用断路器，15MVA及以上的发电机出口需要采用专用断路器。

3　专用断路器的选择结论及注意事项

中小型水电站发电机是否采用专用断路器，与系统容量、发电机的容量、发电机出口电压、发电机侧接线方式等因素有关。对于采用发电机变压器组单元接线的水电站，单机容量在30MVA及以下的发电机出口不必选用专用断路器，采用配电型真空断路器用于发电机出口保护即可。对于采用扩大单元接线的水电站，单机容量在12.5MW及以下的电站，发电机出口处可以采用配电型真空断路器。单机容量在15MW及以上的电站，发电机出口处需要采用专用的发电机断路器。但必须注意，当采用配电型普通真空断路器用于发电机出口断路器时，应根据不同开断时间短路电流的计算结果将额定开断电流提高1～3档，同时在断路器处加装抑制瞬态恢复电压及上升率的有效措施。当接线方式（如采用单机单变或多机一变）和接入系统电压等条件有所变化时，应根据实际情况进行计算和分析，选择合适的发电机出口断路器。

参考文献

［1］刘春凤.小容量发电机出口保护用真空断路器的选择［J］.电气技术，2011，（2）.

［2］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［M］.北京：中国标准出版社，1994.

［3］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.

［4］中华人民共和国电力行业标准交流高压断路器参数选用导则DLT615-1997.交流高压断路器参数选用导则.

［5］穆建军，杨莉娜，李振华.中小型水轮发电机出口真空断路器选择分析与探讨［J］.湖南水利水电，2015，（2）.

The Choice on Circuit Breakerof Small and Medium-sized Hydropower Station Generator

YIN Xiao-an
（Hunan Hydroelectric Occupational College，Changsha，Hunan 410131，China）

Abstract:Correct design of generator circuit breaker is directly related to thereasonable investment of electrical equipment，the operation maintenance，and the safe and economic operation of hydropower station.Medial-sized generators used to choose normal oil circuit breaker or vacuum circuit breaker or SF6 circuit breaker.In recent years，common vacuum breaker is becoming more and more popular.Small and medium-sized hydropower station should choose special generator circuit breaker according to different connection method and different capacity of generator circuit breaker method.

Key words:hydropower station；generator；circuit breaker；connection mode

作者简介：殷晓安（1967-），女，湖南南县人，大学本科，副教授，主要研究方向：电力与电子技术等。

基金项目：2013年度湖南省教育厅科学研究一般项目。项目编号：13C578。

收稿日期：2015-12-15

中图分类号：TV734.2

文献标识码：A

文章编号：2095-980X（2016）01-0050-02