论发电机保护断路器的设计与选择

论发电机保护断路器的设计与选择

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云南华电鲁地拉水电有限公司

摘要：当前飞速发展的社会主义经济下，我国现代电力供应设备普遍难以满足国民日益增长的电力需求。而电路发电机保护断路器作为必不可少的保护装置，其综合性能和运行稳定性都将直接影响到整体设备的运行承载效率。尽管发电机保护断路器在机械效能和综合电气功能方面与常规断路器类似，但发电机保护断路器有着更加严格的参数要求和规格匹配。考虑到发电机瞬时电感峰值的巨大波动变化，断路器应当选择相配合的规格。以下具体以小容量、大容量发电机出口保护断路器作以详细的选择设计与分析。

关键词：发电机；出口保护断路器；大功率；小功率；设计与选择

引言：发电机出口断路器作为保护输电安全和电路效应的必须设备元件，相比于普通家用设备断路器，在选择上有着更多需要注意的细节。基于发电机出口保护断路器所具备的不同特性，其配电性能和应用环境也有所不同。因此，需要我们合理设计并自主选用相匹配的发电机出口保护断路器。

一、小容量发电机保护断路器设计分析

1.1保护用断路器特性

作为直接连接在发电机主回路中控制阈值和紧急开关的断路器，可以保护并有效控制整个电站发电机组工作电流范围。但是不同位置的发电机断路器功能和特性需求都不尽相同，具体如下：

（1）电路承载额定阈值：发电机断路器相比普通设备常用断路器，甚至是不同规格的发电机中所使用的保护断路器，其阈值和电流承载能力，都存在差异。发电机组规模越大，紧急断路所需的电流就越大，相应的断路器承载额定电流就越高。详细数据参考表1-3.

（2）瞬态机组恢复电压能力：发电机瞬态恢复电压能力是由发电机规格和具体内部回路、材料结构以及升压变压器核心参数所共同决定的。瞬态恢复电压上升率以及电压恢复效率还受到变压器容量影响。因此，发电机断路器在电压适配上，就要求有更高的瞬时电压抗性，以及波动回复能力。

（3）有效瞬时开断：发电机瞬时产生的高频震荡交流电具有极其不稳定的物理参数。而对于常见的非对称电流，在高频震荡区间内，其直流分量的衰减时间通常在40ms-100ms之间波动，少数情况下达到150ms。因此，通常发电保护断路器开关断路闭合电流峰值设计至少应在电流高频交流分量的2.8倍以上。

综合上述特征及适配断路器条件，可见不同型号发电机组保护断路器参数要求十分苛刻，相应的设计和制造成本也大幅上升。

1.2小容量发电机保护断路器设计选用

例如，近年来，城市环保新增的生活垃圾焚烧发电机组，其发电容量一般处在215MVA。同时其单机容量选用15MVA频段较多，并且在发电机变压器单元机组接线型用分支出线。相比之下，在电流功耗较大的发电机组中，其容量为225MVA规格，采用的接线形式为发电机组单元引线且有厂用分支出线，单机容量为35MVA，接线如下图。

1..3主要参数分析（以30MVA为例）

（1）额定电流

发电机额定电流IF为

ηN=90%（1）

上式中，为额定电压，p为发电机的额定功率，为发电机功率因数，取值为0.8-0.85之间。

参考示例发电机参数，此处取10.5KV，p取3000KVA，取0.8。

得出发电机断路器额定电流：

ηN=85%（2）

配电性断路器额定电流在现行断路器制造厂商均可以超过4000A以上的承载电流。因此不需要特殊加工制造，普通工厂制式配件即可，在满足功能需求的同时节约成本。

（2）开断电流以及直流分量

同样根据上述结论，发电机保护断路器短路设置位置不同，断路器既可以负责发电机源头短路故障保护，也可以负责开断系统源头短路故障保护。以表1参考，30MVA变压器，其直流分量额定峰值取80直流分量计算得到160.8=12.8KA。而现行的配电断路器直流分量，达到40额定值需求，可以满足使用。

（3）额定断路峰值耐受电流

发电机断路器，其配合的额定断路电流峰值耐受值与额定断路开断电流交流分量之间存在着线性关系。具体为关和电流为开断电流有效值的2.8倍，而配电性断路器核算过后，402.5/16=6.25，在需求范围之内，可以直接投入使用。

（4）系统的瞬态恢复电压配合上升速率

依据上述提供的瞬态恢复电压上升率表1，当发电机短路器参数为22KV，而配电型断路器参数为20.6KV，为此必须采取限制过电压措施，通常采用的避雷针方式只能暂时限制瞬态恢复电压幅值，无法完全抑制瞬态电压陡行上升。也不能有效保障瞬态电压峰值阶段的设备机能。适宜采用的最佳方案是通过加装避雷针配合R-C吸收器使用，级联以降低瞬态恢复电压幅度值同时抑制瞬态恢复电压上升率，控制发电机组运行处在平稳区间。

二、大容量发电机断路器设计选择

大型发电机组群工作机理同小容量发电机一样，只是由于容量扩大，产能提升，在电路保护断路器的选择设计上，根据机组特性，存在着参数和设定的较大区别。

2.1保护出口断路器直流分量（火电厂为例）

按照国家现行电路规范条例相关内容要求，大型发电设备所用断路器分闸所用时间每增加0.01S，必须相应增加直流分量至68以上，衰减时间常数最好也保持在100-105ms水平范围之内。因此，在大型发电设备机组中，断路器性能考量和设计选择与一般断路器存在较大的差异。另外，考虑到大型机组中保护出口断路器的而定断路关合电流也随之调整，故需要选择额定断路电流峰值在2.75倍以上的参数。通常情况下，在铭牌上标注额定断路电流同时，还要标注直流分量定值，确保断路器合格有效。[2]

2.2断路器选择及测定

按照国际ANSI测试选择标准，应从以下几个方面对断路器功能进行考核：发电机源短路、系统源短路、发电机失真失步作出相应的参数调整。具体步骤及测试内容如下。

（1）参考发电机出口断路器运行规则及波动频率，通常采用的操作顺序与非自动重合闸开关保持频率一致。同时由于直流分量存在低于20的情况，因此实际选取的出口断路器参数中，应当取瞬态恢复电压TRV峰值为发电机正常工作电压阈值的1.7倍，上升率相应的做出调整，取区间3.4-3.5KV/m；而从出口断路器关合的数据来看，系统电流值应当选取断路电流峰值的2.75倍左右最为恰当。若是断路器分闸时间超出60ms范围，则无需再进行不对称电流开断测试。

（2）短路性能测定。基于大型发电机组瞬时电流峰值极高，直流分量大幅增加的特点，保护机组并控制发电机源短路闭合的断路器参数要求也更加苛刻。根据ANSI国际标准，常规最高直流分量峰值在130左右，此时普通工厂制式断路器无法满足此项功能需求。另外，在进行项目实测考核过程中，发现其DC值可以达到65左右。因此，若能是开关DC=80，即可满足技术要求，但却与器件规格标准不符。

（3）失步性能评测。基于发电机开合所产生的瞬态高频强电流，通常取发电机电压峰值的1.2倍作为外界施加的首相开断工作频率的恢复电压；另取交流分量有效值的一半作为设定开断电流，并划分直流分量分界点20以上频段和50%以下频段。同时以发电电压峰值的2.5倍作为瞬态电压恢复值的峰值，上升率取3.3KV/m。

2.3完善断路器电路保护措施

考虑到出口保护断路器的使用寿命和功能优秀性，在断路器中类型选取中，广泛采用真空断路器。基于真空环境下电流灭弧性，则相应会产生常规断路器没有的截流问题，并衍生出操作过载电压，其大小与断路器内部回路及功能配置设定有着密切关系。此外，考虑到制造工艺和质量水平的局限性，对于此类大型高压发电机组，应当在常规保护断路器的基础之上，增设额外的电压保护设施。

最后，在安装过程中，参数设定和选取一定要以实际发电站机组情况为参考，理论数据得出的参数不能直接应用到实际装配中。同时在型号选择时，要综合考虑到额定电流、断路考段电流、时间常数、失步情况、电流参数等多项指标，才能保障出口断路器的稳定安全运行，满足发电机组生产需求。

结语：在实践运用中，只有不断分析各项断路器性能影响要素，对比改良，不仅仅局限于直流分量和电压幅值两部分，才能不断精细断路器各项数据性能，使得其更好的适应不同发电机容量差异，更好的完成电路出口保护功能，保障发电机组高效、安全运行。

参考文献：

[1]潘磊.火电厂发电机断路器设计选型分析[J].城市建设理论研究（电子版），2013（21）

[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.北京:中国标准出版社,1994.