新聞主題	柴油發(fā)電機(jī)出口斷路器開關(guān)選型表

 

摘要：針對(duì)柴油發(fā)電機(jī)出口斷路器的選擇問(wèn)題，應(yīng)依據(jù)GB/T14824—2008、IEEEStdC37.013—1997和IEC60909-0—2001中的計(jì)算方法，并結(jié)合發(fā)電機(jī)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(jī)的電氣距離很小，其在短路暫態(tài)過(guò)程中出現(xiàn)的沖擊電流現(xiàn)象，康明斯公司提出了下列對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組斷路器專業(yè)要求和技術(shù)分析。

 

一、出口斷路器的作用

 

      繼電保護(hù)就是柴油發(fā)電機(jī)氣空氣開關(guān)的作用，當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)發(fā)生短路或者其他不正常狀態(tài)的時(shí)候，這個(gè)設(shè)備發(fā)出指令，去命令斷路器去跳開線路或者某故障設(shè)備，從而保障柴油發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。發(fā)電機(jī)出口空氣斷路器通常裝有欠壓、過(guò)載和短路繼電保護(hù)裝置。斷路器外觀示意圖如圖1所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1、欠壓保護(hù)原理

      當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓正常對(duì)負(fù)載供電時(shí)，失壓脫扣電磁鐵線圈經(jīng)按鈕TA的常閉接點(diǎn)和自動(dòng)開關(guān)常開輔助觸頭（合閘后已閉合）接于電源側(cè)線電壓上。電磁鐵線圈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)開關(guān)處于合閘狀態(tài)。

      由于失壓脫扣器作發(fā)電機(jī)欠壓保護(hù)裝置時(shí)，其啟動(dòng)電壓的整定值整定在低于發(fā)電機(jī)額定電壓的70％，瞬時(shí)動(dòng)作，因此，當(dāng)發(fā)電機(jī)輸壓下降到欠壓保護(hù)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，自動(dòng)開關(guān)在斷路彈簧的作用下，自動(dòng)跳閘。當(dāng)需要遠(yuǎn)距離控制時(shí)，可按下按鈕印可跳閘。

2、過(guò)流保護(hù)原理

      過(guò)流脫扣保護(hù)裝置由兩個(gè)過(guò)流脫扣器電磁鐵組成。當(dāng)發(fā)電機(jī)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)開關(guān)處于合閘狀態(tài)。當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出的過(guò)載電流大于過(guò)載保護(hù)啟動(dòng)電流的整定值時(shí)，電磁鐵線圈產(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，自動(dòng)跳閘。

      對(duì)于有延時(shí)機(jī)構(gòu)的自動(dòng)空氣斷路器，過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)的啟動(dòng)電流可在（1.55～2）倍脫扣器額定電流范圍內(nèi)整定，動(dòng)作時(shí)限可在（4～15）s范圍內(nèi)整定。短路短延時(shí)保護(hù)的動(dòng)作電流可在（3～4.5）倍脫扣器額定電流范圍內(nèi)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(dāng)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(diào)節(jié)螺絲中脫出，在彈簧的作用下，主軸沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)主枉桿從鋼片中脫出時(shí)，在彈簧的作用下，開關(guān)自動(dòng)跳閘。電磁脫扣器，當(dāng)短路時(shí)，短路電流通過(guò)電磁脫扣器線圈產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)，吸力增強(qiáng)，吸動(dòng)銜鐵，使開關(guān)跳閘。

3、短路繼電保護(hù)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(tǒng)中切除，使故障元件免于繼續(xù)遭受破壞，保證其他無(wú)故障部分迅速恢復(fù)正常運(yùn)行；

② 反映電氣元件的不正常運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)運(yùn)行維護(hù)的條件，而動(dòng)作于發(fā)信號(hào)、減負(fù)荷或跳閘。

（2）對(duì)繼電保護(hù)的基本要求

① 選擇性

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

② 速動(dòng)性

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

③ 靈敏性

      對(duì)于柴油發(fā)電機(jī)保護(hù)的范圍內(nèi)，發(fā)生故障或不正常運(yùn)行狀態(tài)的反應(yīng)能力；

④ 可靠性

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

 

圖1  發(fā)電機(jī)塑殼斷路器外形示意圖

圖2  發(fā)電機(jī)斷路器的操作機(jī)構(gòu)示意圖

 

二、發(fā)電機(jī)斷路器的特點(diǎn)及技術(shù)參數(shù)

 

      以康明斯發(fā)電機(jī)組為例，其標(biāo)準(zhǔn)斷路器安裝位置如圖3所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1、選擇斷路器的要求

      由于發(fā)電機(jī)的電感值較系統(tǒng)相對(duì)要大，作為保護(hù)發(fā)電機(jī)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(shù)均要大得多。若系統(tǒng)在斷路器上方發(fā)生短路故障，來(lái)自發(fā)電機(jī)側(cè)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(zhǎng)(100ms甚至更長(zhǎng))的延時(shí)電流零點(diǎn)，所以發(fā)電機(jī)斷路器的要求也應(yīng)盡快迫使短路電流技術(shù)性能過(guò)零，否則，長(zhǎng)時(shí)間短路電流可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)或變壓器損壞。因此對(duì)發(fā)電機(jī)斷路器技術(shù)參數(shù)和性能要求更加嚴(yán)格。

2、發(fā)電機(jī)斷路器主要技術(shù)參數(shù)及要求

（1）開斷非對(duì)稱短路電流的能力。

      因發(fā)電機(jī)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(xiàn)延時(shí)電流零點(diǎn)。在一些情況下，發(fā)電機(jī)源會(huì)非常高的非對(duì)稱短路電流，是因?yàn)樵诎l(fā)電機(jī)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(biāo)準(zhǔn)對(duì)發(fā)電機(jī)斷路器的非對(duì)稱開斷性能作了明確的規(guī)定，要求發(fā)電機(jī)斷路器開斷發(fā)電機(jī)源短路電流的能力滿足非對(duì)稱度110%的要求。

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

      發(fā)電機(jī)回路時(shí)間常數(shù)包括發(fā)電機(jī)次瞬態(tài)時(shí)間常Td”、瞬態(tài)時(shí)間常數(shù)Td'和非周期分量時(shí)間常數(shù)Ta,它們均與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子阻尼繞組的參數(shù)和結(jié)構(gòu)有關(guān)。若發(fā)電機(jī)出口短路，由系統(tǒng)源供給短路電流，則要求瞬態(tài)恢復(fù)電壓(TRV)的上升率為3.5kV/μs；若發(fā)電機(jī)出口短路，由發(fā)電機(jī)提供短路電流，則要求TRV的上升率為1.4kV/μs。

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

      另外發(fā)電機(jī)斷路器額定短路關(guān)合電流(峰值)和額定動(dòng)穩(wěn)定電流均為額定短路開斷電流的2.74倍，發(fā)電機(jī)額定失步開斷電流值為額定短路開斷電流的50%。由于發(fā)電機(jī)斷路器是利用其絕緣的介質(zhì)和滅弧性能來(lái)關(guān)合和開斷電路，因此其回路應(yīng)具有很高的耐壓水平，并能承受較高的恢復(fù)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(jī)出口處采用真空斷路器，由于真空滅弧的特性，在開斷過(guò)程中如發(fā)生截流現(xiàn)象，由此會(huì)產(chǎn)生截流過(guò)電壓，這與斷路器的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)配置有關(guān)，但也有一定的隨機(jī)性，所以對(duì)于柴油發(fā)電機(jī)是昂貴的，在發(fā)電機(jī)斷路器保護(hù)電路，電壓保護(hù)裝置應(yīng)該安裝。

 

圖3  康明斯發(fā)電機(jī)組出口斷路器安裝位置

圖4  柴油發(fā)電機(jī)輸出開關(guān)柜結(jié)構(gòu)圖

 

三、斷路器選型的基本原則

 

       柴油發(fā)電機(jī)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(biāo)準(zhǔn)主要采用IEEE標(biāo)準(zhǔn)。按照國(guó)內(nèi)現(xiàn)有用電的具體現(xiàn)象，本文只針安裝的環(huán)境條件是室內(nèi)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(guī)參數(shù)和要求：

1、額定電壓

      斷路器的額定電壓應(yīng)等于或大于1.05倍的發(fā)電機(jī)電壓。

2、絕緣水平

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

3、額定操作順序

      系統(tǒng)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(zhǎng)期工作的最高的允許發(fā)熱溫度的電流是額定電流，長(zhǎng)期通過(guò)斷路器且使斷路器無(wú)損傷?？砂凑瞻l(fā)電機(jī)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(jī)真空斷路器產(chǎn)品時(shí)，一定要滿足發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的額定電壓、額定電流，額定短路開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、失步開斷電流、瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升率等是否符合設(shè)計(jì)規(guī)定，滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)對(duì)不同品牌開關(guān)擇優(yōu)選擇，不同品牌開關(guān)型號(hào)如表1所列。

表1    柴油發(fā)電機(jī)組出口斷路器型號(hào)匹配

 

四、斷路器的性能測(cè)試

 

      按照日前國(guó)際上廣泛采用的 ANSI 標(biāo)準(zhǔn)的最新內(nèi)容中，關(guān)于發(fā)電機(jī)出口斷路器的相關(guān)規(guī)定，應(yīng)從多個(gè)方面對(duì)發(fā)電機(jī)類出口斷路器功能進(jìn)行考核∶系統(tǒng)源短路、發(fā)電機(jī)源短路以及發(fā)電機(jī)失步兒種情況下的斷路器開斷和開合都應(yīng)當(dāng)根據(jù)發(fā)電機(jī)情況做出相應(yīng)調(diào)整，其他情況下的發(fā)電機(jī)出口斷路器性能測(cè)試內(nèi)容同常規(guī)斷路器的性能測(cè)試內(nèi)容基本一樣。具體測(cè)試內(nèi)容及步驟如下：

（1）發(fā)電機(jī)短路性能測(cè)試

      考慮到發(fā)電機(jī)出口斷路器的運(yùn)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(fù)電壓 TRV 的峰值應(yīng)該是發(fā)電機(jī)工作電壓最高值的 1.7 倍左右 ，相應(yīng)的上升率則約為3.5kV/微秒；此外在測(cè)試出口斷路器關(guān)合時(shí)，系統(tǒng)測(cè)試電流值也應(yīng)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(duì)稱情況下的開斷試驗(yàn)。針對(duì)發(fā)電機(jī)斷路器與普通斷路器性能試驗(yàn)對(duì)比，則應(yīng)該充分參考三相試驗(yàn)情況下，首開相或者單相的試驗(yàn)環(huán)境。此外，即使開斷與關(guān)合時(shí)，電流數(shù)值一樣，則斷路器的開關(guān)應(yīng)該擁有較高的直流分量與瞬態(tài)恢復(fù)電壓為基礎(chǔ)對(duì)比常規(guī)性斷路器，發(fā)電機(jī)出口斷路器的相關(guān)要求更為嚴(yán)格。發(fā)電機(jī)短路試驗(yàn)如圖5所示。

（2）發(fā)電機(jī)源短路的開斷試驗(yàn)

      發(fā)電機(jī)源短路的開斷試驗(yàn)條件則更為苛刻，該試驗(yàn)存在更高的直流分量。遵循ANSI/IEEEC37-013標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定∶此值為DC%=130%。針對(duì)這一試驗(yàn)考核，通用型斷路器則是不合適的。

      圖6是實(shí)例的計(jì)算短路電流電路圖，C0~G4為等值發(fā)電機(jī)，G為系統(tǒng)電源，QF為G2發(fā)電機(jī)出口的廠用分支斷路器，K為待求短路點(diǎn)。按計(jì)算曲線法將圖3所標(biāo)電抗值化簡(jiǎn)為各電源到短路點(diǎn)K的轉(zhuǎn)移電抗，并按各相應(yīng)的電源的容量進(jìn)行歸算，得到各電源對(duì)短路點(diǎn)的計(jì)算電抗，并以此查計(jì)算曲線得出短路電流周期分量標(biāo)么值，最后再把標(biāo)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）失步開斷與關(guān)合試驗(yàn)

      發(fā)電機(jī)型斷路器關(guān)合試驗(yàn)和失步開斷是在合、分條件進(jìn)行的。首相開斷和外施電壓工頻恢復(fù)電壓為1.22 倍發(fā)電機(jī)最高電壓直流分量（DC%）分<20%和≥50%兩種條件開斷電流為 50%的交流分量有效值；瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升率為3.3kV/μs；瞬態(tài)恢復(fù)電壓峰值為2.5倍發(fā)電機(jī)最高電壓；關(guān)合試驗(yàn)按2.5倍對(duì)稱開斷電流交流分量值（峰值）與開斷試驗(yàn)合并進(jìn)行。通用型斷路器的關(guān)合試驗(yàn)以及合、分失步開斷，外施電壓和首相開斷工頻恢復(fù)電壓為1.44 倍系統(tǒng)最高電壓開瞬態(tài)恢復(fù)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(fù)電壓上升為0.26kV/μs而對(duì)關(guān)合電流不作規(guī)定。

 

圖5  發(fā)電機(jī)短路特性試驗(yàn)接線圖

圖6  計(jì)算發(fā)電機(jī)短路電流電路圖

 

總結(jié)：

      GCB是工作于發(fā)電機(jī)出口保護(hù)用的斷路器，完全是針對(duì)發(fā)電機(jī)出口回路的特殊技術(shù)要求而產(chǎn)生。因?yàn)槲挥诎l(fā)電機(jī)和連接其余電力系統(tǒng)的大功率升壓變壓器之間，這就造成了回路開斷條件尤其嚴(yán)格。與普通配電型斷路器相比，具有極強(qiáng)的開斷短路電流直流分量的能力和失步開斷的能力，極高的機(jī)械和電氣操作壽命。本文通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)斷路器的特點(diǎn)和技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析，闡述了發(fā)電機(jī)斷路器選型原則。作為及其重要的柴油發(fā)電機(jī)出口場(chǎng)合，產(chǎn)品選型必須極其謹(jǐn)慎，否則，一旦出現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)組停機(jī)現(xiàn)象，損失將不可估量。

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