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中型水電站發(fā)電機(jī)斷路器應(yīng)用探討
發(fā)布時(shí)間: 2021-10-17 來(lái)源:浙江九昌電器有限公司 瀏覽次數(shù):

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(chēng)GCB),作為在苛刻開(kāi)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(guò)去由于普遍存在認(rèn)識(shí)不足的問(wèn)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(jiàn),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(kù)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(jiàn)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(yáng)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(lèi)型水電站的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),經(jīng)過(guò)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(jiàn)圖1。

  3 發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)GCB的問(wèn)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(jiàn)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(zhuān)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(kāi)斷短路電流直流分量的能力和失步開(kāi)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(kāi)斷發(fā)電機(jī)出口延遲過(guò)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(kāi)斷短路電流交流分量有效值50kA的分?jǐn)嗄芰?,但這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(kāi)斷都需要有一個(gè)電流過(guò)零點(diǎn),電弧會(huì)在電流過(guò)零點(diǎn)自動(dòng)地分開(kāi)。在某些條件下,來(lái)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(chēng)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(chēng)值。在此條件下,短路電流的直流分量將高于對(duì)稱(chēng)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(guò)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(guò)150ms,直流分量衰減慢,短路電流有經(jīng)數(shù)百毫秒也不通過(guò)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(guò)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(lái)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(guò)零。也就是說(shuō),只有GCB才能滿足不過(guò)零時(shí)切斷短路電流,而不致產(chǎn)生危險(xiǎn)的過(guò)電壓。

  3.2.3 GCB除了適用于開(kāi)斷不過(guò)零的電流外,還具有的絕緣水平、強(qiáng)的失步開(kāi)斷能力、開(kāi)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(lái)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(guò)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(wèn)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(zhuān)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(mén)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(mén)子的3AF2288真空型GCB,電壓17.5kV、額定電流4000A、額定開(kāi)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(guò)電壓保護(hù)裝置,開(kāi)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(kāi)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。


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