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中小型水電站發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器設(shè)計(jì)選型的思考

2008-10-07 09:21    【  【打印】【我要糾錯(cuò)】

  摘要:通常,人們習(xí)慣地對(duì)單機(jī)容量100MVA及以下的發(fā)電機(jī)組稱為中小型發(fā)電機(jī)。鑒于我國(guó)能源綜合利用開發(fā)的基本國(guó)策,自西部大開發(fā)以來,特別在西南地區(qū),中小型水力發(fā)電機(jī)組建設(shè)拔地而起,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也已具備了一定的規(guī)模,隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,對(duì)于中小型水力發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器的設(shè)計(jì)選型,改變以往使用通用型斷路器為發(fā)電機(jī)型斷路器的傳統(tǒng),已是大勢(shì)所趨。

  關(guān)鍵詞:斷路器;水電站;發(fā)電機(jī)

  1、發(fā)電機(jī)型斷路器與通用型斷路器的技術(shù)性能比較

  發(fā)電機(jī)型斷路器與通用型斷路器在機(jī)械特性、絕緣特性和電氣特性的表述方式上基本相同。

  如對(duì)短路開斷電流均以交流分量有效值和直流分量百分?jǐn)?shù)(DC%)表示;絕緣性能均以工頻和雷電沖擊耐壓水平考核;機(jī)械特性考核項(xiàng)目等也基本相同。

  發(fā)電機(jī)型斷路器與通用型斷路器的不同之處,是前者對(duì)某些技術(shù)性能的技術(shù)參數(shù)要求要苛刻得多。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)的電感值較系統(tǒng)相對(duì)要大,作為保護(hù)斷路器在瞬間所承受的直流分量和衰減時(shí)間常數(shù)均大得多。GB/T14824-1993中規(guī)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(shù)為60ms,顯然較通用型斷路器的直流分量DC%≤20%和衰減時(shí)間常數(shù)45ms要大;同時(shí),額定短路關(guān)合電流也不相同,發(fā)電機(jī)型斷路器因?yàn)橹绷鞣至枯^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(jī)型斷路器的銘牌除標(biāo)有額定短路電流值外,同時(shí)還注明有直流分量(DC%)值,而通用型斷路器則僅標(biāo)有額定短路電流值。

  通過比較可以看出,發(fā)電機(jī)型斷路器較通用型斷路器開斷、關(guān)合條件均要苛刻,型式試驗(yàn)的考核也相對(duì)嚴(yán)格得多。

  2、發(fā)電機(jī)型斷路器的主要型式試驗(yàn)考核內(nèi)容

  依據(jù)當(dāng)前國(guó)際通用的ANSI/IEEEC37-013以對(duì)稱電流為基礎(chǔ)的交流高壓發(fā)電機(jī)斷路器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,對(duì)發(fā)電型斷路器型式試驗(yàn)考核內(nèi)容主要是:系統(tǒng)源短路的開斷與關(guān)合、發(fā)電機(jī)源短路開斷和失步開斷與關(guān)合。其它的型式試驗(yàn)考核與通用型斷路器內(nèi)容基本相同。

 。1)系統(tǒng)源短路的開斷與關(guān)合試驗(yàn)。發(fā)電機(jī)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(fù)電壓(峰值)為1.7倍發(fā)電機(jī)最高工作電壓;瞬態(tài)恢復(fù)電壓的上升率為3.5kV/μs;關(guān)合試驗(yàn)按2.74倍額定短路電流(峰值)合并進(jìn)行的。國(guó)外西屋和西門子公司在進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)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(fù)電壓(峰值)為1.71倍額定工作電壓;瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升率為0.34kV/μs;關(guān)合試驗(yàn)是按2.5倍額定短路電流(峰值)與對(duì)稱開斷試驗(yàn)合并進(jìn)行。當(dāng)斷路器的分閘時(shí)間≥60ms時(shí),則不必進(jìn)行非對(duì)稱開斷試驗(yàn)。

  上述兩種類型斷路器的試驗(yàn)考核,均相當(dāng)于三相試驗(yàn)時(shí)首開相或者單相試驗(yàn)時(shí)的條件。相比之下,即便是開斷電流的數(shù)值相同,而發(fā)電機(jī)型斷路器則是在高直流分量和瞬態(tài)恢復(fù)電壓下進(jìn)行開斷,開斷條件較通用型斷路器苛刻得多。

 。2)發(fā)電機(jī)源短路的開斷試驗(yàn)。

  發(fā)電機(jī)源短路的開斷試驗(yàn)條件則更為苛刻,該試驗(yàn)具有更高的直流分量。按照ANSI/IEEEC37-013標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:此值為DC%=130%.對(duì)于這一試驗(yàn)考核,通用型斷路器則是無法勝任的。

 。3)失步開斷與關(guān)合試驗(yàn)。

  發(fā)電機(jī)型斷路器失步開斷與關(guān)合試驗(yàn)是在合、分條件下進(jìn)行的。外施電壓和首相開斷工頻恢復(fù)電壓為1.22倍發(fā)電機(jī)最高電壓;開斷電流為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(fù)電壓峰值為2.5倍發(fā)電機(jī)最高電壓;瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升率為3.3kV/μs;關(guān)合試驗(yàn)按2.5倍對(duì)稱開斷電流交流分量值(峰值)與開斷試驗(yàn)合并進(jìn)行;國(guó)外西屋公司在進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)的直流分量(DC%)為80%;西門子公司為120%.

  通用型斷路器的合、分失步開斷與關(guān)合試驗(yàn),外施電壓和首相開斷工頻恢復(fù)電壓為1.44倍系統(tǒng)最高電壓;開斷電流為25%的交流分量有效值;直流分量(DC%)<20%;瞬態(tài)恢復(fù)電壓峰值為2.55倍額定工作電壓;瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升率為0.26kV/μs;而對(duì)關(guān)合電流不作規(guī)定。

  我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1984規(guī)定:失步開斷僅適用于聯(lián)絡(luò)斷路器,對(duì)于通用型斷路器在10kV系統(tǒng)應(yīng)用時(shí),則不必進(jìn)行失步開斷與關(guān)合此項(xiàng)試驗(yàn)。該標(biāo)準(zhǔn)已被修訂,目前正在待批。相對(duì)比較,發(fā)電機(jī)型斷路器對(duì)失步開斷與關(guān)合試驗(yàn)不僅要做,而且直流分量和瞬態(tài)恢復(fù)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(jī)型斷路器開發(fā)研究過程

  在發(fā)電機(jī)型斷路器未進(jìn)行開發(fā)研究之前,由于沒有專門的發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器,設(shè)計(jì)選型只能是選擇額定電流大、短路開斷電流大和直流分量大的斷路器用于發(fā)電機(jī)回路作為保護(hù)設(shè)備。

  4、中小型水力發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器設(shè)計(jì)的思考

 。1)重視中小容量水力發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器的設(shè)計(jì)應(yīng)用。發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器根據(jù)電站接入系統(tǒng)方式、在電力系統(tǒng)中的作用、可靠性數(shù)值計(jì)算等,選型作為發(fā)電機(jī)保護(hù)回路主要保護(hù)電氣設(shè)備,所以,正確設(shè)計(jì)選擇發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器直接關(guān)系著水電站后期的電氣設(shè)備合理投資、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單方便、保證水電站長(zhǎng)周期安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,事關(guān)重大,故而應(yīng)予以認(rèn)真對(duì)待。

 。2)避免發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器設(shè)計(jì)選型的誤區(qū)。早期在發(fā)電機(jī)型斷路器標(biāo)準(zhǔn)未實(shí)施之前,因?yàn)闆]有專門的發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器產(chǎn)品,人們對(duì)于發(fā)電機(jī)斷路器設(shè)計(jì)選型,只是考慮額定電流、短路開斷電流和直流分量較大,就可以應(yīng)用于發(fā)電機(jī)回路。我國(guó)過去常用于中小容量水電站的發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器主要是少油SN3-10型和SN4-10型,這些產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、技術(shù)落后、額定參數(shù)低、運(yùn)行極不可靠、滿足不了當(dāng)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(shè)計(jì)選型發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器時(shí),除應(yīng)滿足額定電流、短路開斷電流和直流分量的同時(shí),必須充分考慮回路的時(shí)間常數(shù),瞬態(tài)恢復(fù)電壓、失步開斷電流和關(guān)合電流等其它參數(shù),避免忽視這一因素的誤區(qū),擇優(yōu)選擇符合發(fā)電機(jī)斷路器標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。

 。3)關(guān)于真空斷路器的截流過電壓保護(hù)。真空斷路器以良好的開斷性能應(yīng)用于發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器極為普遍。由于真空優(yōu)越的滅弧特性,往往在開斷過程中發(fā)生截流現(xiàn)象,因?yàn)榻亓饕鸬牟僮鬟^電壓,則與斷路器的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)配置有關(guān),而且具有一定的隨機(jī)性。國(guó)內(nèi)外許多真空滅弧室制造商,對(duì)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,西屋公司和西門子公司已確認(rèn)該公司的真空斷路器截流值已降低至3A~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(jī)性,相對(duì)于價(jià)格昂貴的水輪發(fā)電機(jī)而言,在發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器回路,仍應(yīng)加裝過電壓保護(hù)裝置。

 。4)精心設(shè)計(jì),合理配置、確保發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器可靠運(yùn)行。發(fā)電機(jī)是水力發(fā)電站的主機(jī),而作為保護(hù)主機(jī)的斷路器則是保證發(fā)電機(jī)安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ),為重中之重。

  熟悉掌握發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器各種技術(shù)參數(shù)和功能,對(duì)于能夠量化的技術(shù)參數(shù),如額定工作電流、短路開斷電流、直流分量(DC%)、最大關(guān)合電流等,設(shè)計(jì)中必須進(jìn)行認(rèn)真準(zhǔn)確地計(jì)算;對(duì)于隨機(jī)性的一些技術(shù)參數(shù),如瞬態(tài)恢復(fù)電壓峰值、上升率、時(shí)間常數(shù)、截流值等,盡可能地進(jìn)行各種條件下的計(jì)算分析比較。根據(jù)已具備的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),合理選擇斷路器的技術(shù)參數(shù)配置,確保發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器長(zhǎng)周期的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。

  5、結(jié)束語

  影響斷路器開斷能力的因素,除了電流大小和直流分量之外,恢復(fù)電壓峰值和上升率也是相當(dāng)重要的。而對(duì)于發(fā)電機(jī)或者變壓器在保護(hù)斷路器開斷過程中恢復(fù)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(guī)定。在中小型水力發(fā)電站設(shè)計(jì)中,當(dāng)前仍應(yīng)根據(jù)已經(jīng)執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相關(guān)技術(shù)參數(shù),合理配置發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器,應(yīng)該是科學(xué)的、規(guī)范的、有益的最佳選擇。

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