浅谈真空断路器在中小型水电站的应用

摘　要：论述了真空断路器用在中小型水电站发电机出口的可行性，同时也指出不容忽视的过电压现象和直流分量开断能力问题。通过对过电压现象产生机理和发电机出口短路电流延时过零点现象的分析，归纳总结了目前在电站设计中常用的解决方法。
关键词：中小型水电站；真空断路器；过电压；短路电流直流分量

1　引　言
　　扩大单元接线是中小型水电站较常采用的主接线形式，要求在发电机出口必须装设断路器（GCB）。因此在许多中小型水电站设计中都涉及到在发电机出口装设断路器的问题，部分老电站改造中也涉及增设GCB或对原有少油GCB进行设备更新。那么，如何在设计中合理选用GCB就成为设计人员经常遇见的问题。本文通过对真空断路器用做GCB时出现的现象进行分析，提出了相应的解决办法。
2　真空断路器用在中小型水电站中的可行性　　
　　自20世纪70年代起，真空断路器的应用越来越广泛，结合中小型水电站的具体特点，真空断路器的优点如下：
　　（1）水电站大多在系统中担任调峰、调频或事故容量备用的任务，机组开停机频繁。真空断路器机械寿命长，能满足实际需要。
　　（2）真空断路器体积小、结构简单且具有良好的密封性、无污染、易维护，因此可节省大量运行维护费用。
3　真空断路器用做GCB出现的主要问题
　　由于GCB的开断条件比普通配电型断路器的开断条件要苛刻的多，IEC、IEEE及我国部标都为GCB制订了相应的标准和技术条件。从技术性能上分析，真空断路器用做GCB主要存在两个方面的问题。
　　（1）操作过电压：其主要形式是重燃过电压。由于开关多次开合操作，存在能量重新分配而导致的可能在某些设备上出现过电压。过电压的高低与电弧重燃和熄灭的时刻有着密切的关系。真空开关触头刚分开的瞬间，若电弧电流恰好在过零点，则电弧熄灭，但此时触头开距小，故上升较快的恢复电压将使间隙击穿而重燃，产生高频电流，如果高频电流幅值大于工频电流瞬时值，又会出现出现高频电流过零点，而真空断路器具有切断高频电流的能力，于是真空开关再次灭弧。如此反复，在多次电弧重燃过程中断路器触头间的恢复强度在增长，同时，重燃过电压的幅值也在增长，形成“电压升级”，产生4倍以上的过电压，最终对电机主绝缘和匝间绝缘产生较严重的危害。
　　（2）支流分量开断能力问题：如文献［1］所述，发电机提供的短路电流具有较高的直流分量，可能产生较长的延时电流零点，这就要求GCB具有强迫短路电流尽快过零的技术性能。直流分量的衰减取决于非周期分量时间常数Ta。通常情况下，发电机短路电流的直流分量比交流分量衰减的慢，因此可能出现延时电流零点。
4　防止过电压的措施
　　（1）采用低截流值触头材料的低电涌真空断路器，可以有效降低重燃过电压幅值和概率。
（2）在断路器侧加装氧化锌避雷器（MOA）。
　　（3）在断路器侧加装阻—容吸收器（R－C吸收器）。
（4）采用MOA和R－C并联使用的方法。
　　对于加装MOA来限制过电压的原理及效果大家是比较了解的，那么R－C吸收装置对于抑制过电压的幅度及瞬态恢复电压的上升陡度的效果如何呢？文献［2］中有关发电机出口真空断路器抑制瞬态恢复电压EMTP仿真计算结果如下：
　　不加R－C吸收装置，瞬态恢复电压幅值49．3 kV，断口瞬态恢复电压陡度4．042 kV／μs；
　　加R－C吸收装置，瞬态恢复电压幅值18．9kV，断口瞬态恢复电压陡度0．472 kV／μs。
　　从试验结果可以看出，如果不采用R－C吸收装置，则断口瞬态恢复电压陡度值为4．042kV／μs，不满足GCB开断端部短路时的系统源预期瞬态恢复电压上升率为3．5 kV／μs（对于发电机变压器额定容量≤100 MVA）的技术要求。而采用R－C吸收装置，则瞬态恢复电压上升率降低至0．472 kV／μs。可见采用R－C吸收装置抑制过电压上升陡度是行之有效的。
　　R－C吸收装置和MOA都是为了限制过电压。避雷器仅起限制过电压幅度的作用，并不能缓解过电压上升陡度，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过电压上升陡度、降低重燃概率。故合理的方法是：采MOA和R－C吸收装置结合使用。
5　解决短路电流直流分量开断能力的主要方法　　
（1）合理选择发电机短路电流直流分量衰减时间常数Ta。
　　真空断路器开断容量大，但发电机出口短路电流中可能包含较高比例的直流分量（往往大于周期分量幅值20％），并可能产生较长（100 ms甚至更长）的延时电流零点，如果断路器不具备强迫短路电流尽快过零的技术性能，则在断路器的固有分闸时间内，短路电流仍未过零，也就是说，在触头完全分离的一个周波内电弧电流仍然未过零，电弧不熄灭。从而由于燃弧时间过长导致电气设备受损。
支路短路电流直流分量计算公式如下：

　　显然Ta值愈小，则短路电流直流分量Ifz（t）值愈小，愈有利于断路器的开断操作。
式（1）中：
　

　　其中XΣ只与发电机本身结构参数决定，与短路的外界条件无关，而RΣ是指整个短路回路的电阻之和。
　　从以上分析可见：选用适当Ta值对降低直流分量数值和抑制延时电流零点很有用。
　　（2）设计有利于减小短路容量的主接线方案。
　　（3）选用开断电流提高1～2两个等级的断路器。
　　可在按对称短路电流计算选择断路器开断电流的基础上，将开断电流值提高1～2个等级，从而满足真空断路器用做GCB的非对称开断要求。
6　结束语
　　随着真空断路器触头材料及制造工艺等的改进，真空断路器的性能较应用初期已有巨大进步，中小型水电站采用真空断路器作为发电机断路器的性能优势是显而易见的。
参考文献：

［1］　王汉明．对真空断路器用做发电机断路器的探讨［C］．2000年电气学术交流会论文集．
［2］　张万荣．发电机出口真空断路器瞬态恢复电压的研究［J］．高压电器，2000，（4）．

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