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摘要：中小容量的發(fā)電機(jī)斷路器在國(guó)內(nèi)水電站中的應(yīng)用研究目前尚屬起步階段，是新的電氣設(shè)計(jì)課題，本文以西霞院電氣主接線設(shè)計(jì)為例，對(duì)中型水電站發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)非普通配電型發(fā)電機(jī)斷路器的必要性進(jìn)行了探討。同時(shí)，對(duì)國(guó)產(chǎn)設(shè)備的發(fā)展提出了一些設(shè)想。

　　關(guān)鍵詞中型水電站發(fā)電機(jī)斷路器應(yīng)用探討

　　1　引言

　　發(fā)電機(jī)斷路器(以下簡(jiǎn)稱GCB)，作為在苛刻開斷條件下的大電流、大容量、價(jià)格昂貴的中壓斷路器，已在大型水電站中得到廣泛，但在中型水電站中，過去由于普遍存在認(rèn)識(shí)不足的問題，再加上場(chǎng)地布置和經(jīng)濟(jì)方面的考慮，發(fā)電機(jī)出口采取裝設(shè)GCB的設(shè)計(jì)少見，大多以普通配電型斷路器替代，其結(jié)果給機(jī)組長(zhǎng)期安全運(yùn)行造成了潛在的危害。2000年隨著中小容量GCB制造技術(shù)的發(fā)展，GCB在中型水電站中的應(yīng)用與研究已逐步提到議事日程。我院設(shè)計(jì)的小浪底水利樞紐西霞院反調(diào)節(jié)水庫電站，在中型水電站電氣主接線設(shè)計(jì)方面具有典型性。本文以此為例，對(duì)中型水電站發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)GCB的必要性進(jìn)行了探討，并對(duì)中小容量GCB在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用和發(fā)展談一些個(gè)人的見解。

　　2　西霞院水電站電氣主接線設(shè)計(jì)

　　西霞院水電站裝設(shè)6臺(tái)軸流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量為35MW，總裝機(jī)容量為210MW，距洛陽地區(qū)負(fù)荷中心僅33km，在系統(tǒng)中的作用主要是在滿足反調(diào)節(jié)發(fā)電的基礎(chǔ)上參與系統(tǒng)調(diào)峰運(yùn)行。電站以220kV電壓等級(jí)接入系統(tǒng)，220kV出線2回。借鑒國(guó)內(nèi)同等類型水電站的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過多方案的綜合比較，終推薦發(fā)—變組合采用二機(jī)一變擴(kuò)大單元接線，220kV升壓側(cè)采用雙母線接線的方案，西霞院水電站電氣主接線方案的主接線簡(jiǎn)圖見圖1。

　　3　發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)GCB的問題探討

　　3.1　發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)斷路器的技術(shù)條件

　　發(fā)電機(jī)—變壓器組合采用擴(kuò)大單元接線，每臺(tái)發(fā)電機(jī)出口必須加裝斷路器。西霞院水電站35MW發(fā)電機(jī)出口回路持續(xù)工作電流為2358A，三相短路電流計(jì)算結(jié)果為36.4kA。

　　根據(jù)35MW機(jī)組對(duì)裝設(shè)在發(fā)電機(jī)出口斷路器的主要要求，現(xiàn)將GCB與普通配電型斷路器的有關(guān)技術(shù)條件比較見表1。

　　3.2　GCB和普通配電型斷路器的性能比較

　　3.2.1　GCB是發(fā)電機(jī)出口專用斷路器，安全是針對(duì)發(fā)電機(jī)出口回路的技術(shù)要求而產(chǎn)生，與普通配電型斷路器相比，具有強(qiáng)的開斷短路電流直流分量的能力和失步開斷的能力，的機(jī)械和電氣操作壽命，其三相聯(lián)動(dòng)操作機(jī)構(gòu)能提供安全的同步操作，應(yīng)用GCB還可以減小升壓變壓器的故障平均恢復(fù)時(shí)間和發(fā)電機(jī)的故障平均恢復(fù)時(shí)間，使電廠的可利用率增加，從而提高電廠的效益，尤其是GCB開斷發(fā)電機(jī)出口延遲過零短路電流的能力，是普通配電型斷路器所不具備的。

　　3.2.2　由于本電站發(fā)電機(jī)電壓設(shè)備均集中布置在主廠房下游側(cè)狹長(zhǎng)的副廠房?jī)?nèi)，場(chǎng)地緊張，希望出口斷路器體積小，并能與其他發(fā)電機(jī)電壓成套柜并排布置。目前，國(guó)產(chǎn)10kV真空斷路器柜已具有開斷短路電流交流分量有效值50kA的分?jǐn)嗄芰Γ@種普通配電斷路器并非針對(duì)發(fā)電機(jī)回路的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)，對(duì)短路電流直流分量的分?jǐn)嗄芰艿汀?/p>

　　每一種交流斷路器的開斷都需要有一個(gè)電流過零點(diǎn)，電弧會(huì)在電流過零點(diǎn)自動(dòng)地分開。在某些條件下，來自發(fā)電機(jī)的短路電流可能具有100ms或更長(zhǎng)的延時(shí)電流零點(diǎn)。在發(fā)電機(jī)空載狀態(tài)下，如果短路發(fā)生在電壓低狀態(tài)，那么就會(huì)出現(xiàn)具有直流分量的非對(duì)稱短路電流。尤其是在故障前，當(dāng)發(fā)電機(jī)在欠礪磁狀態(tài)下且具有超前功率因數(shù)時(shí)出現(xiàn)非對(duì)稱值。在此條件下，短路電流的直流分量將高于對(duì)稱分量，并一直保持到延時(shí)電流零點(diǎn)。圖2為發(fā)電機(jī)源饋電故障時(shí)短路電流的計(jì)算實(shí)例。

從圖2可以看出，短路電流的交流分量和直流分量的衰減規(guī)律不同，交流分量隨著發(fā)電機(jī)短路次暫態(tài)和暫態(tài)時(shí)間常數(shù)Td″、Td′，Tq″、Tq′按指數(shù)遞減，直流分量隨著短路時(shí)間常數(shù)Ta=Xd″/(2πfRa)，(式中：Xd″為直軸次暫態(tài)電抗；Ra為電樞電阻)按指數(shù)規(guī)律衰減。根據(jù)發(fā)電機(jī)不同尺寸和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，這些時(shí)間常數(shù)值變化很大，當(dāng)短路電流的交流分量比直流分量衰減得快時(shí)，在某段時(shí)間內(nèi)就產(chǎn)生了延時(shí)電流零點(diǎn)。小容量發(fā)電機(jī)因電感與電阻的比值小，短路時(shí)間常數(shù)小，直流分量衰減很快，短路一般經(jīng)數(shù)十毫秒，即通過零點(diǎn)，滅弧較易。而35MW發(fā)電機(jī)短路時(shí)間常數(shù)Ta較大，超過150ms，直流分量衰減慢，短路電流有經(jīng)數(shù)百毫秒也不通過零點(diǎn)的情況。若發(fā)電機(jī)出口選用常規(guī)配電斷路器，斷路器動(dòng)作切斷短路故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生異常過電壓，滅弧不易。而需選用GCB，利用斷路器觸頭分離產(chǎn)生很高的電弧電壓，來增大與Ra相串聯(lián)的電弧電阻，使短路電流直流分量快速衰減，從而強(qiáng)迫過零。也就是說，只有GCB才能滿足不過零時(shí)切斷短路電流，而不致產(chǎn)生危險(xiǎn)的過電壓。

　　3.2.3　GCB除了適用于開斷不過零的電流外，還具有的絕緣水平、強(qiáng)的失步開斷能力、開斷小電感和小電容電流的能力等，其保護(hù)發(fā)電機(jī)和主變壓器的功效是普通配電型斷路器所不可取代的。近幾年來已有一些小水電機(jī)組相繼選用了成套的普通配電型真空斷路器柜替代作GCB用，雖然這些用戶裝設(shè)了過電壓保護(hù)裝置(有些用戶甚至僅在真空斷路器的兩側(cè)配置了氧化鋅避雷器)，但從長(zhǎng)期看卻存在著隱患。一是新機(jī)組剛投運(yùn)時(shí)絕緣水平相對(duì)較高，絕緣尚能配合，而機(jī)組絕緣水平隨著運(yùn)行時(shí)間增加在逐步下降，絕緣配合就成了問題；二是普通配電型斷路器的性能畢竟與發(fā)電機(jī)出口專用斷路器的性能要求相差較大，難以勝任苛刻的使用條件，故存在著隨機(jī)性損壞機(jī)組的可能和不安全因素。

　　綜上所述，西霞院水電站發(fā)電機(jī)容量雖然不大，但發(fā)電機(jī)出口加裝GCB而非常規(guī)配電斷路器，在技術(shù)上是必要的。

　　3.3　中小容量GCB在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用

　　大容量的GCB在國(guó)內(nèi)外大型電站中已得到廣泛應(yīng)用，其中以瑞士ABB、法國(guó)阿爾斯通、日本三菱的SF6型和德國(guó)西門子的真空型具有代表性，國(guó)內(nèi)也已有沈高的LN-18型產(chǎn)品。對(duì)于中小容量的GCB，真空型產(chǎn)品因價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)容易、體積小而占有一定的優(yōu)勢(shì)，如德國(guó)西門子的3AF2288真空型GCB，電壓17.5kV、額定電流4000A、額定開斷電流63kA、額定峰值耐受電流160kA，在尺寸和價(jià)格上都與普通配電型斷路器差不多，只是與SF6型GCB相比，其缺點(diǎn)是需另配備過電壓保護(hù)裝置，開斷容量及載流量受到限制。據(jù)了解，目前國(guó)內(nèi)已具有開發(fā)水平新產(chǎn)品的實(shí)力，希望能早日研制出價(jià)廉質(zhì)優(yōu)的國(guó)產(chǎn)中小容量的GCB填補(bǔ)空白，這種產(chǎn)品的尺寸應(yīng)與通常的中壓柜相仿，并能組合入成套柜中，以解決中型水電站地下式廠房電氣設(shè)備布置的難題。

4　結(jié)論

　　4.1　中型水電站發(fā)電機(jī)——變壓器組合若采用擴(kuò)大單元接線，每臺(tái)發(fā)電機(jī)出口必須加裝斷路器。

　　4.2　中型水電站發(fā)電機(jī)出口雖然短路電流不太大，例如西霞院35MW發(fā)電機(jī)組出口三相短路電流計(jì)算結(jié)果僅為36.4kA，但因其所處位置的重要性和對(duì)斷路器的要求，有裝設(shè)GCB的必要性。國(guó)內(nèi)一些中小水電機(jī)組選擇普通配電型斷路器替代GCB的作法，給機(jī)組長(zhǎng)期安全運(yùn)行埋下了隱患。

　　4.3　希望能早日研制出質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的國(guó)產(chǎn)中小容量的GCB成套柜，以適應(yīng)中型水電站發(fā)電機(jī)電壓設(shè)備選型和布置的需要。