发电机出口断路器选型

发电机出⼝断路器选型
发电机出⼝真空断路器的选型
近⼏年来, 真空断路器在中压输配电领域得到了飞速发展, 占据了该领域的绝对市场优势. 同时针对于发电机出⼝应⽤场合, 也有了长⾜的进步, 特别是近年来国内中⼩型⽔电站 (发电机组单
机容量<=100MW) 原有少油出⼝断路器SN4改造项⽬, 真空断路器以压倒性的优势取代了SF6
断路器. 综合其原因主要有以下⼏点:
1. 可靠安全的机械和电⽓性能
2. 较长的机械和电⽓操作寿命
3. 最⾼的经济性，节省投资
4. 节省空间，电⽹改造的最佳⽅案
5. 彻底免维护
6. 较短的交货期
7. ⽆潜在的腐蚀和有毒的⽓体分解物
德国西门⼦公司于1988年向国内提供了⾸例应⽤, 安装于云南卢布⾰⽔电站, 型号为3AH3, 额定容量为12kV/6,300A/40kA.
但发电机出⼝场合不同于⼀般的中压配电应⽤, 就断路器型式试验⽽⾔, 国内试验站⽆论
是西⾼所, 沈⾼所,以及北京电科院, 由于受到试验设备限制, 所执⾏的标准均为GB1984或者
DL402. ⽆法对国际通⽤的IEEE/ANSI std C37.013?以对称电流为基础的交流⾼压
发电机断路器标准?规定的试验项⽬进⾏验证, 就国内相应标准⽽⾔, 则为DL427以及GB/T14824. 以下列举其与
GB1984/DL402的主要区别;
1. 主触头极限温升
2.
ANSI/IEEE C37.013
触头表⾯允许温升 K 温度极限值 oC
银, 银合⾦或等同物65 105
铜30 70
GB1984/DL402
触头表⾯允许温升 K 温度极限值 oC
银, 银合⾦或等同物75 115
铜35 75
3. 额定电流下导电连接处的极限温升
ANSI/IEEE C37.013
触头表⾯允许温升 K 温度极限值 oC
银, 银合⾦或等同物65 105
铜30 70
GB1984/DL402
- 1 -
触头表⾯允许温升 K 温度极限值 oC
银, 银合⾦或等同物75 115
铜50 90
4. 多相短路⾮对称开断能⼒
ANSI/IEEE C37.013
当X/R=50,发电机断路器主触头分离时间为4周波时,⾮对称开断能⼒与对称开断能⼒的⽐值保守估计为1.32, 系统源故障时, 直流分量保守值为50%; 发电机源侧短路时则可超过100%.
GB1984/DL402
以分闸时间为3周波计算, 则直流分量试验值通常为30%左右
5. 额定固有暂态恢复电压 (TRV) 及上升速率 (RRRV)
ANSI/IEEE C37.013
系统源故障
变压器额定容量 (MVA) TRV (kV) RRRV (kV/us)
<100 1.84U 3.5
101~200 1.84U 4.0
202~400 1.84U 4.5
发电机源故障
发电机额定容量 (MVA) TRV (kV) RRRV (kV/us)
<100 1.84U 1.6
101~200 1.84U 1.8
202~400 1.84U 2.0
失步开断
变压器额定容量 (MVA) TRV (kV) RRRV (kV/us)
<100 2.6U 3.3
101~200 2.6U 4.1
202~400 2.6U 4.7
U----发电机断路器额定最⾼电压
变压器额定容量 (MVA) TRV (kV) RRRV (kV/us)
<100 2.6U 3.3
101~200 2.6U 4.1
202~400 2.6U 4.7
GB1984/DL402
额定电压试验⽅式TRV (kV) RRRV (kV/us)
19.7 0.24
(100%Isc)
7.2kV 4
11.8 0.34
(100%Isc)
12 4
纵观⽬前国内应⽤的国际知名品牌以及国产真空断路器, 就发电机应⽤场合来说, 基本情况如下:
ABB公司由于其真空断路器受到额定容量限制 (最⼤⾄50kA/3150A), 很少涉⾜于此领域;
ALSTOM公司由于其真空断路器技术参数存在缺陷 (如直流分量仅为20%, 分闸时间较长等), ⽆法
满⾜应⽤要求;
国产品牌如北开, 天⽔等, 其发电机出⼝断路器为新开发产品, 产品技术稳定性有待考验, 试验标准
⽆法满⾜ANSI/IEEE标准要求参数, 国内使⽤业绩鲜见, 在此类极具重要性的场合, ⽬前不推荐作为使⽤产品;
西门⼦公司于80年代末向全球市场推⼴发电机出⼝真空断路器以来, ⾄今已有超过1,500台在全世界范围内安全运⾏.国内业绩⾃1995年后不完全统计已经达到234台, 其中⼤部分运⾏于⽔电⼚, 其成熟性和稳定性得到了⼀致公认.
3AH系列真空断路器是西门⼦公司90年代中期推向全球市场的新型产品. 它以原有3AF真空断路
器 (机电寿命30,000次)为原形, 在其基础上采⽤了新型的真空灭弧室 (截流值标准从5A控制到了
3A以内为重要特征之⼀), 并且对原有弹簧操作机构作了进⼀步精简 ,提⾼了零部件配合加⼯和配合精度以及采⽤了新型的耐磨损材料. 保留了其⼀贯动作可靠的特点, 并且⾸先在全球对真空断路器提出了免维护概念. 免维护概念的倡导是西门⼦公司作为在中压开关领域领导者的⼀个重要标志. 其主要特点如下:
1. 世界领先的截流值⽔平 <3A
对于真空断路器⽽⾔, 截流值是体现其性能⽔平的重要标志之⼀. 它直接影响真空断路器对于开断
⼩电感电流负载的过电压⽔平 (截流过电压U=k*I*rootL/C, 其中k为衰减系数, rootL/C为系统波阻抗, I为截流值, 前⾯两项参数由系统本⾝所决定, ⽽截流值I则取决于不同制造⽔平的真空断路器).西门⼦承偌在切合空载变压器等⼩电感电流负荷情况下, 过电压倍数可限制在2.1p.u以下, 从⽽保证不会产⽣危害其他电⽓设备的危险过电压.
附:
试验报告TVS 2448 及总结陈述.
2. 可满⾜极⾼的RRRV
试验报告TVM2/2867E清楚表明了西门⼦真空断路器17.5KkV/63kA成功通过了TRV (<=30kV), RRRV(11kV/us), 短路电流
50kA以及 TRV (>30kV), RRRV(18kV/us), 短路电流63kA的型式试验, 试验标准为IEEE C37.013-1989.由于采⽤相同的触头材料, 所以以上试验报告中RRRV值适⽤于其他型号所有西门⼦真空断路器.
瞬态恢复电压上升率 (RRRV)同样具有重要意义, 当介质强度恢复速度低于瞬态恢复电压上升速率时, 断路器断⼝就会发⽣复燃. 尤其在发电机出⼝短路等场合开断时, RRRV值可达4.0kV/us, 若此时断路器断⼝介质恢复不能满⾜RRRV的要求, 断路器就有可能发⽣⾼频重燃, 以致产⽣危害极⼤的⾼频重燃过电压.
3. 可满⾜对于直流分量的要求
西门⼦3AH38 (17.5/63kA)型真空断路器在开断额定短路电流63kA时, 直流分量可达76%;
3AH3AH3028/3128/3178/3228型真空断路器在开断额定短路电流63kA时, 直流分量可达60%;
3AH3057/3117/3167/3217型真空断路器在开断额定短路电流50kA时, 直流分量可达60%;
3AH1116//1166/1216型真空断路器在开断额定短路电流40kA时, 直流分量可达60%;
以上断路器完全能满⾜此类应⽤场合的要求.
4. 极⾼的额定短路开断次数
西门⼦3AH38 (17.5/63kA)/3228型真空断路器在开断额定短路电流63kA时, 开断次数达30次;
3AH3AH3028/3128/3178型真空断路器在开断额定短路电流63kA时, 开断次数达50次;
3AH3057/3117/3167/3217型真空断路器在开断额定短路电流50kA时, 开断次数达50次;
3AH1116//1166/1216型真空断路器在开断额定短路电流40kA时, 开断次数达50次;
以上所有断路器机电寿命均为10,000次
5. ⼴泛⽽可靠的运⾏业绩
⽆论是起始于80年代末90年代初的初期应⽤ (东北电⽹红⽯⽔电站等), 还是最近⼏年在⼴西, ⼴东, 福建, 四川等地⼤量的⽔电站运⾏业绩, 都表明了西门⼦3AH真空断路器性能是极其可靠⽽出⾊.
6. 完善的售后服务体系.
西门⼦(中国)有限公司在上海设有输配电集团中压开关元件技术⽀持部, 经德国总部多次培训的资深专业⼯程师可随时向⽤户提供⼀流的服务, ⼀旦应⽤户需要, 可在最短时间内赶赴⾄现场解决问题.
售后服务热线:021-********
综上所述, 作为及其重要的发电机出⼝场合, 产品选型必须极其谨慎, 否则, ⼀旦出现机组停机现象, 损失将不可估量. 西门⼦真空断路器以其卓越的性能, 能够完全胜任其应⽤.
附:
1. 直流分量浅析
对于断路器开断短路电流的考核, 严格意义上应分为对称短路电流以及⾮对称短路电流. 对称短路电流仅局限于短路电流的周期分量, ⾮对称短路电流为周期分量以及直流分量之和.
GB1984以及DL403标准针对断路器型式短路开断试验有如下要求:
试验⽅式1~4 (主要考核对称短路电流开断能⼒)中, 开断电流的直流分量不得超过20%.
原因如下:
在开断电流周期分量相等的情况下, ⾮周期分量 (直流分量)的存在, 虽然有可能提⾼触头分离瞬间的短路电流瞬间值, 但它在某种程度上却有利于的开断. 这是因为, 当短路电流中存在⾮周期分量时, 不管是电弧在⼤半波过零或⼩半波过零时熄灭, 断⼝所受的瞬态⼯频恢复电压均⽐⽆周期分量时要⼩.
电⼒系统三相短路电流, 最严酷情况下冲击电流计算结果如下:
ia= -Ipmcosωt + Ipme-t/Ta
根据短路电流波形, 短路电流的最⼤值即短路冲击电流将在短路发⽣后半波时出现, 当f=50Hz时, 其值为0.01秒, 可得冲击电流计算式为:
(1+e-0.01/Ta) Ipm=kim Ipm
通常情况下, 当短路发⽣于发电机出⼝时, 取kim= 1.9; 于电⼚电站中⼼时, 取kim= 1.85; 于其他地点短路时, 取kim= 1.8, 此时峰值电流为1.8*Root2*Isc=2.55Isc.
其中Ta=L/R, 电⽹固定参数;
由以上⽅程式可得, 三相短路电流的全电流取决于周期分量以及⾮周期分量, 其中⾮周期分量⼜取决于触头分离时刻以及电⽹固定参数 Ta
因此
1. GB1984以及DL402⼜有如下规定:
对于时间间隔τ (断路器最⼩分闸时间+10ms)不⼤于70ms的断路器必须进⾏⽅式5试验 (包括⽅式1~4).试验⽅式5应以100%的额定短路电流, 直流分量等于τ值所对应的规定值.
对于⽤在直流分量可能⼤于 GB1984以及DL402中相应规定值的场合 (如发电机出⼝以及
发电站中⼼附近) 的断路器, 试验应由制造⼚协商.
2. TRV及RRRV浅析
断路器⽤以开断短路电流时, 开断过程中出现的电弧可能在交流电流过零时⾃然熄灭. 由于电弧⼀经形成,断⼝间的介质就会因电弧放电⽽强烈游离, 因此在电流过零电弧⾃然熄灭后, 断⼝间的绝缘不能⽴即恢复.当断⼝恢复电压⾼于介质强度时, 电弧就会复燃.
电流过零后断⼝绝缘性能即介质强度的恢复, 以及在断⼝两端出现的外施电压即恢复电压是影响断路器开断性能的两个重要因素.
短路故障电路⼤多为电感电阻性电路, 电流过零时电路中断, 电源电压全部加在触头 (弧隙) 两端, 弧隙上的电压恢复过程将是由电弧电压上升到电源电压的这样⼀个过渡过程. 在实际电路中, 弧隙间总有电容的存在, 弧隙电压不可能突变, 电压恢复过程将是是带有周期性的振荡过程.
电压恢复过程中, ⾸先出现在弧隙两端的是具有瞬态特性的电压, 称为瞬态恢复电压, 瞬态恢复电压存在的时间很短, 通常为⼏⼗微秒⾄⼏毫秒. 瞬态恢复电压消失后, 弧隙两端出现的是由⼯频电源决定的电压, 即⼯频恢复电压. 从灭弧⾓度看, 瞬态恢复电压具有决定性的意义. 其电压变化取决于:
⼯频恢复电压⼤⼩;
电路中电感, 电容和电阻的数值以及它们的分布情况;
断路器的电弧特性, 即断路器弧后的断⼝电阻;
瞬态恢复电压中含有⾼频振荡, 其振荡频率取决于线路电感及电源侧对地电容, 其电压幅值最⼤可达⼯频
恢复电压的1.4~1.5倍, 即所谓的振幅系数.
当断路器开断三相接地故障时, 还必须考虑⾸开相系数的影响, 通常情况下, 取⾸开相系数为1.5.
因此额定瞬态恢复电压(TRV)计算如下:
Uc=1.4x1.5x(root2/root3)xUn;
1.4------振幅系数
1.5-----⾸开相系数
Un-----断路器额定电压
瞬态恢复电压上升率 (RRRV)同样具有重要意义, 当介质强度恢复速度低于瞬态恢复电压上升速率时, 断路器断⼝就会发⽣复燃. 尤其在发电机出⼝短路等场合开断时, RRRV值可达4.0kV/us, 若此时断路器断⼝介质恢复不能满⾜RRRV的要求, 断路器就有可能发⽣⾼频重燃, 以致产⽣危害极⼤的⾼频重燃过电压.额定电压⼀定时, RRRV值取决于系统固有振荡频率.。