新聞主題	柴油發(fā)電機出口斷路器開(kāi)關(guān)選型表

 

摘要：針對柴油發(fā)電機出口斷路器的選擇問(wèn)題，應依據GB/T14824—2008、IEEEStdC37.013—1997和IEC60909-0—2001中的計算方法，并結合發(fā)電機出口回路正常工作和故障電流都特別大的特點(diǎn)；同時(shí)由于與發(fā)電機的電氣距離很小，其在短路暫態(tài)過(guò)程中出現的沖擊電流現象，康明斯公司提出了下列對柴油發(fā)電機組斷路器專(zhuān)業(yè)要求和技術(shù)分析。

 

一、出口斷路器的作用

 

      繼電保護就是柴油發(fā)電機氣空氣開(kāi)關(guān)的作用，當柴油發(fā)電機發(fā)生短路或者其他不正常狀態(tài)的時(shí)候，這個(gè)設備發(fā)出指令，去命令斷路器去跳開(kāi)線(xiàn)路或者某故障設備，從而保障柴油發(fā)電機的安全穩定運行。發(fā)電機出口空氣斷路器通常裝有欠壓、過(guò)載和短路繼電保護裝置。斷路器外觀(guān)示意圖如圖1所示，內部結構如圖2所示。

1、欠壓保護原理

      當發(fā)電機輸出電壓正常對負載供電時(shí)，失壓脫扣電磁鐵線(xiàn)圈經(jīng)按鈕TA的常閉接點(diǎn)和自動(dòng)開(kāi)關(guān)常開(kāi)輔助觸頭（合閘后已閉合）接于電源側線(xiàn)電壓上。電磁鐵線(xiàn)圈2通電，產(chǎn)生電磁吸力大于彈簧5拉力，沖擊桿4被吸下，自動(dòng)開(kāi)關(guān)處于合閘狀態(tài)。

      由于失壓脫扣器作發(fā)電機欠壓保護裝置時(shí)，其啟動(dòng)電壓的整定值整定在低于發(fā)電機額定電壓的70％，瞬時(shí)動(dòng)作，因此，當發(fā)電機輸壓下降到欠壓保護整定值時(shí)，電磁鐵吸力小于彈簧拉力，沖擊桿抬起撞到搭鉤上，使其與鉤桿脫開(kāi)，自動(dòng)開(kāi)關(guān)在斷路彈簧的作用下，自動(dòng)跳閘。當需要遠距離控制時(shí)，可按下按鈕印可跳閘。

2、過(guò)流保護原理

      過(guò)流脫扣保護裝置由兩個(gè)過(guò)流脫扣器電磁鐵組成。當發(fā)電機的電流正常時(shí)，過(guò)流脫扣器電磁鐵的吸力小于彈簧拉力，搭鉤與鉤桿鉤牢，自動(dòng)開(kāi)關(guān)處于合閘狀態(tài)。當發(fā)電機輸出的過(guò)載電流大于過(guò)載保護啟動(dòng)電流的整定值時(shí)，電磁鐵線(xiàn)圈產(chǎn)生的吸力大于彈簧拉力，吸動(dòng)銜鐵，沖擊桿抬起撞在搭鉤上，使其與鉤桿脫開(kāi)，自動(dòng)跳閘。

      對于有延時(shí)機構的自動(dòng)空氣斷路器，過(guò)載長(cháng)延時(shí)保護的啟動(dòng)電流可在（1.55～2）倍脫扣器額定電流范圍內整定，動(dòng)作時(shí)限可在（4～15）s范圍內整定。短路短延時(shí)保護的動(dòng)作電流可在（3～4.5）倍脫扣器額定電流范圍內整定，動(dòng)作時(shí)限可在0.2、0.4、0.6s整定。

      DZ10型是采用熱脫扣器作為過(guò)流脫扣器的自動(dòng)空氣斷路器。當過(guò)載時(shí)，電流使雙金屬片受熱向下彎曲，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，杠桿的下端從調節螺絲中脫出，在彈簧的作用下，主軸沿順時(shí)針?lè )较蜣D動(dòng)，當主枉桿從鋼片中脫出時(shí)，在彈簧的作用下，開(kāi)關(guān)自動(dòng)跳閘。電磁脫扣器，當短路時(shí)，短路電流通過(guò)電磁脫扣器線(xiàn)圈產(chǎn)生較強的磁場(chǎng)，吸力增強，吸動(dòng)銜鐵，使開(kāi)關(guān)跳閘。

3、短路繼電保護原理

（1）作用

① 自動(dòng)、迅速、有選擇性地將故障元件從電力系統中切除，使故障元件免于繼續遭受破壞，保證其他無(wú)故障部分迅速恢復正常運行；

② 反映電氣元件的不正常運行狀態(tài)，并根據運行維護的條件，而動(dòng)作于發(fā)信號、減負荷或跳閘。

（2）對繼電保護的基本要求

① 選擇性

      指保護裝置動(dòng)作時(shí)，僅將故障元件從電力系統中切除，使停電范圍盡量縮??；

② 速動(dòng)性

      柴油發(fā)電機發(fā)生故障時(shí)，繼電保護裝置能迅速動(dòng)作，切除故障；

③ 靈敏性

      對于柴油發(fā)電機保護的范圍內，發(fā)生故障或不正常運行狀態(tài)的反應能力；

④ 可靠性

      發(fā)生故障的部分不應該拒動(dòng)，沒(méi)有發(fā)生故障的部分不能誤動(dòng)（可依賴(lài)性、安全性）。

 

圖1  發(fā)電機塑殼斷路器外形示意圖

圖2  發(fā)電機斷路器的操作機構示意圖

 

二、發(fā)電機斷路器的特點(diǎn)及技術(shù)參數

 

      以康明斯發(fā)電機組為例，其標準斷路器安裝位置如圖3所示，內部結構如圖4所示。

1、選擇斷路器的要求

      由于發(fā)電機的電感值較系統相對要大，作為保護發(fā)電機的斷路器在切斷回路故障電流的瞬間所承受的直流分量和衰減時(shí)間常數均要大得多。若系統在斷路器上方發(fā)生短路故障，來(lái)自發(fā)電機側的短路電流由于具有較高的直流分量，可能會(huì )產(chǎn)生較長(cháng)(100ms甚至更長(cháng))的延時(shí)電流零點(diǎn)，所以發(fā)電機斷路器的要求也應盡快迫使短路電流技術(shù)性能過(guò)零，否則，長(cháng)時(shí)間短路電流可能會(huì )導致發(fā)電機或變壓器損壞。因此對發(fā)電機斷路器技術(shù)參數和性能要求更加嚴格。

2、發(fā)電機斷路器主要技術(shù)參數及要求

（1）開(kāi)斷非對稱(chēng)短路電流的能力。

      因發(fā)電機源在短路時(shí)會(huì )產(chǎn)生直流電流和交流電流，直流電流具有較高分量，并且交流電流衰減比直流電流衰減的快，故會(huì )出現延時(shí)電流零點(diǎn)。在一些情況下，發(fā)電機源會(huì )非常高的非對稱(chēng)短路電流，是因為在發(fā)電機回路故障中，初始值和周期分量的初始值相互抵消的直流分量。IEEE Std C37.013和GB14824標準對發(fā)電機斷路器的非對稱(chēng)開(kāi)斷性能作了明確的規定，要求發(fā)電機斷路器開(kāi)斷發(fā)電機源短路電流的能力滿(mǎn)足非對稱(chēng)度110%的要求。

（2）回路時(shí)間常數、瞬態(tài)恢復電壓、失步開(kāi)斷電流和關(guān)合電流。

      發(fā)電機回路時(shí)間常數包括發(fā)電機次瞬態(tài)時(shí)間常Td”、瞬態(tài)時(shí)間常數Td'和非周期分量時(shí)間常數Ta,它們均與發(fā)電機轉子阻尼繞組的參數和結構有關(guān)。若發(fā)電機出口短路，由系統源供給短路電流，則要求瞬態(tài)恢復電壓(TRV)的上升率為3.5kV/μs；若發(fā)電機出口短路，由發(fā)電機提供短路電流，則要求TRV的上升率為1.4kV/μs。

      發(fā)電機斷路器還有失步開(kāi)斷要求，特別是在并網(wǎng)操作，出現兩個(gè)電源相角差180°的反相開(kāi)斷時(shí)，首開(kāi)相斷口的瞬態(tài)恢復電壓值會(huì )很高。

      另外發(fā)電機斷路器額定短路關(guān)合電流(峰值)和額定動(dòng)穩定電流均為額定短路開(kāi)斷電流的2.74倍，發(fā)電機額定失步開(kāi)斷電流值為額定短路開(kāi)斷電流的50%。由于發(fā)電機斷路器是利用其絕緣的介質(zhì)和滅弧性能來(lái)關(guān)合和開(kāi)斷電路，因此其回路應具有很高的耐壓水平，并能承受較高的恢復電壓而不致?lián)舸?/span>

（3）超過(guò)正常工作電壓的影響。

      在發(fā)電機出口處采用真空斷路器，由于真空滅弧的特性，在開(kāi)斷過(guò)程中如發(fā)生截流現象，由此會(huì )產(chǎn)生截流過(guò)電壓，這與斷路器的結構和系統配置有關(guān)，但也有一定的隨機性，所以對于柴油發(fā)電機是昂貴的，在發(fā)電機斷路器保護電路，電壓保護裝置應該安裝。

 

圖3  康明斯發(fā)電機組出口斷路器安裝位置

圖4  柴油發(fā)電機輸出開(kāi)關(guān)柜結構圖

 

三、斷路器選型的基本原則

 

       柴油發(fā)電機的出口斷路器既有其特殊性，也有一般高壓斷路器的共性，相關(guān)的技術(shù)標準主要采用IEEE標準。按照國內現有用電的具體現象，本文只針安裝的環(huán)境條件是室內和海拔在1000m以下，環(huán)境溫度在-5～40℃間。以下為斷路器的常規參數和要求：

1、額定電壓

      斷路器的額定電壓應等于或大于1.05倍的發(fā)電機電壓。

2、絕緣水平

      在零表壓下，在開(kāi)斷位置應能承受1.5倍的下列電壓∶斷口間的反相電壓相對地電壓不同相之間的線(xiàn)電壓。在零表壓下，在閉合位置應能承受1.5倍的下列電壓∶相對地電壓不同相之間的線(xiàn)電壓。

3、額定操作順序

      系統短路狀態(tài)下，完成分、合→30min→分、合的操作循環(huán)。

4、額定電流

      額定頻率下各部分發(fā)熱不超過(guò)長(cháng)期工作的最高的允許發(fā)熱溫度的電流是額定電流，長(cháng)期通過(guò)斷路器且使斷路器無(wú)損傷?？砂凑瞻l(fā)電機的額定電流進(jìn)行選擇。

5、斷路器品牌選型

      在選擇發(fā)電機真空斷路器產(chǎn)品時(shí)，一定要滿(mǎn)足發(fā)電機系統的額定電壓、額定電流，額定短路開(kāi)斷電流和直流分量的要求。并需要考慮斷路器的截流值水平、回路時(shí)間、失步開(kāi)斷電流、瞬態(tài)恢復電壓上升率等是否符合設計規定，滿(mǎn)足設計要求。同時(shí)對不同品牌開(kāi)關(guān)擇優(yōu)選擇，不同品牌開(kāi)關(guān)型號如表1所列。

表1    柴油發(fā)電機組出口斷路器型號匹配

 

四、斷路器的性能測試

 

      按照日前國際上廣泛采用的 ANSI 標準的最新內容中，關(guān)于發(fā)電機出口斷路器的相關(guān)規定，應從多個(gè)方面對發(fā)電機類(lèi)出口斷路器功能進(jìn)行考核∶系統源短路、發(fā)電機源短路以及發(fā)電機失步兒種情況下的斷路器開(kāi)斷和開(kāi)合都應當根據發(fā)電機情況做出相應調整，其他情況下的發(fā)電機出口斷路器性能測試內容同常規斷路器的性能測試內容基本一樣。具體測試內容及步驟如下：

（1）發(fā)電機短路性能測試

      考慮到發(fā)電機出口斷路器的運行，采用的操作順序與非自動(dòng)重合閘保持一致。而直流分量又包含了低于20%與高于20%兩種情況。瞬態(tài)恢復電壓 TRV 的峰值應該是發(fā)電機工作電壓最高值的 1.7 倍左右 ，相應的上升率則約為3.5kV/微秒；此外在測試出口斷路器關(guān)合時(shí)，系統測試電流值也應該取短路電流峰值的2.74倍左右為最佳。若斷路器分閘時(shí)間在 60 毫秒以上，則不需要額外進(jìn)行不對稱(chēng)情況下的開(kāi)斷試驗。針對發(fā)電機斷路器與普通斷路器性能試驗對比，則應該充分參考三相試驗情況下，首開(kāi)相或者單相的試驗環(huán)境。此外，即使開(kāi)斷與關(guān)合時(shí)，電流數值一樣，則斷路器的開(kāi)關(guān)應該擁有較高的直流分量與瞬態(tài)恢復電壓為基礎對比常規性斷路器，發(fā)電機出口斷路器的相關(guān)要求更為嚴格。發(fā)電機短路試驗如圖5所示。

（2）發(fā)電機源短路的開(kāi)斷試驗

      發(fā)電機源短路的開(kāi)斷試驗條件則更為苛刻，該試驗存在更高的直流分量。遵循ANSI/IEEEC37-013標準規定∶此值為DC%=130%。針對這一試驗考核，通用型斷路器則是不合適的。

      圖6是實(shí)例的計算短路電流電路圖，C0~G4為等值發(fā)電機，G為系統電源，QF為G2發(fā)電機出口的廠(chǎng)用分支斷路器，K為待求短路點(diǎn)。按計算曲線(xiàn)法將圖3所標電抗值化簡(jiǎn)為各電源到短路點(diǎn)K的轉移電抗，并按各相應的電源的容量進(jìn)行歸算，得到各電源對短路點(diǎn)的計算電抗，并以此查計算曲線(xiàn)得出短路電流周期分量標么值，最后再把標么值換算為有名值，求出各電源提供的短路電流周期分量有效值。

（3）失步開(kāi)斷與關(guān)合試驗

      發(fā)電機型斷路器關(guān)合試驗和失步開(kāi)斷是在合、分條件進(jìn)行的。首相開(kāi)斷和外施電壓工頻恢復電壓為1.22 倍發(fā)電機最高電壓直流分量（DC%）分<20%和≥50%兩種條件開(kāi)斷電流為 50%的交流分量有效值；瞬態(tài)恢復電壓上升率為3.3kV/μs；瞬態(tài)恢復電壓峰值為2.5倍發(fā)電機最高電壓；關(guān)合試驗按2.5倍對稱(chēng)開(kāi)斷電流交流分量值（峰值）與開(kāi)斷試驗合并進(jìn)行。通用型斷路器的關(guān)合試驗以及合、分失步開(kāi)斷，外施電壓和首相開(kāi)斷工頻恢復電壓為1.44 倍系統最高電壓開(kāi)瞬態(tài)恢復電壓峰值為2.55倍額定工作電壓斷電流為25%的交流分量有效值∶直流分量（DC%）<20%；瞬態(tài)恢復電壓上升為0.26kV/μs而對關(guān)合電流不作規定。

 

圖5  發(fā)電機短路特性試驗接線(xiàn)圖

圖6  計算發(fā)電機短路電流電路圖

 

總結：

      GCB是工作于發(fā)電機出口保護用的斷路器，完全是針對發(fā)電機出口回路的特殊技術(shù)要求而產(chǎn)生。因為位于發(fā)電機和連接其余電力系統的大功率升壓變壓器之間，這就造成了回路開(kāi)斷條件尤其嚴格。與普通配電型斷路器相比，具有極強的開(kāi)斷短路電流直流分量的能力和失步開(kāi)斷的能力，極高的機械和電氣操作壽命。本文通過(guò)對發(fā)電機斷路器的特點(diǎn)和技術(shù)參數進(jìn)行分析，闡述了發(fā)電機斷路器選型原則。作為及其重要的柴油發(fā)電機出口場(chǎng)合，產(chǎn)品選型必須極其謹慎，否則，一旦出現柴油發(fā)電機組停機現象，損失將不可估量。

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