发电机出口真空断路器的选型

【摘要】本文通过对发电机断路器的特点和技术参数进行分析，阐述了发电机断路器选型原则和西门子这一型号真空断路器的特点，符合我司选型的要求。

【关键词】真空断路器；电流；电压

一、发电机断路器的特点及主要技术参数

1.1选择断路器的要求

由于发电机的电感值较系统相对要大，作为保护发电机的断路器在切断回路故障电流的瞬间所承受的直流分量和衰减时间常数均要大得多。若系统在断路器上方发生短路故障，来自发电机侧的短路电流由于具有较高的直流分量，可能会产生较长（100ms甚至更长）的延时电流零点，所以发电机断路器的要求也应尽快迫使短路电流技术性能过零，否则，长时间短路电流可能会导致发电机或变压器损坏。因此对发电机断路器技术参数和性能要求更加严格。

1.2发电机断路器主要技术参数及要求

1）开断非对称短路电流的能力。因发电机源在短路时会产生直流电流和交流电流，直流电流具有较高分量，并且交流电流衰减比直流电流衰减的快，故会出现延时电流零点。在一些情况下，发电机源会非常高的非对称短路电流，是因为在发电机回路故障中，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标准对发电机断路器的非对称开断性能作了明确的规定，要求发电机断路器开断发电机源短路电流的能力满足非对称度110%的要求。

2）回路时间常数、瞬态恢复电压、失步开断电流和关合电流。发电机回路时间常数包括：发电机次瞬态时间常Td、瞬态时间常数Td'和非周期分量时间常数Ta，它们均与发电机转子阻尼绕组的参数和结构有关。若发电机出口短路，由系统源供给短路电流，则要求瞬态恢复电压（TRV）的上升率为3.5kV/μs；若发电机出口短路，由发电机提供短路电流，则要求TRV的上升率为1.4kV/μs。发电机断路器还有失步开断要求，特别是在并网操作，出现两个电源相角差180°的反相开断时，首开相断口的瞬态恢复电压值会很高。另外发电机断路器额定短路关合电流（峰值）和额定动稳定电流均为额定短路开断电流的2.74倍，发电机额定失步开断电流值为额定短路开断电流的50%。由于发电机断路器是利用其绝缘的介质和灭弧性能来关合和开断电路，因此其回路应具有很高的耐压水平，并能承受较高的恢复电压而不致击穿。

3）由于发电机在使用峰值时使用比较平繁，因此断路器在机械操作使用寿命要求也比较高。

4）超过正常工作电压的影响。在发电机出口处采用真空断路器，由于真空灭弧的特性，在开断过程中如发生截流现象，由此会产生截流过电压，这与断路器的结构和系统配置有关，但也有一定的随机性，所以对于水力发电机是昂贵的，在发电机断路器保护电路，电压保护装置应该安装。

二、发电机断路器的选型原则

在选择发电机真空断路器产品时，一定要符合发电站设计使用的要求，选择的基本要求是：

1） 一定要满足发电机系统的额定电压、额定电流，额定短路开断电流和直流分量的要求。

2） 需要考虑回路时间、失步开断电流、瞬态恢复电压上升率等是否符合设计规定，满足设计要求。并择优选择。

3） 断路器的截流值水平也是我们在选型时需要考虑问题。

4）考虑断路器的机械性能、机电寿命，以及维护等方面的因素。

三、选择西门子3AH系列真空断路器主要特点

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

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）。西门子承诺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2.5p.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。

2.可满足极高的RRRV

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。电弧形成后，电弧放电就会使断口间的介子快速活跃，在电弧熄灭后，断口之间的绝缘不会立即恢复。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。

由于在短路过程中，电路一般为电感电阻性的，只有电流恢复到零时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=1.5×1.5×（root2/root3）×Ur；

1.5------振幅系数

1.5-----首开相系数

Ur-----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。

3.可满足对于直流分量的要求

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。

根据短路电流波形，短路电流的最大值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：

Ipeak=root2×（1+e-t/τ）ISC=2.74ISC

其中时间常数τ=X/Rω=150ms

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时间常数τ。因此，

1.西门子3AH3型真空断路器断在开断系统源侧额定短路电流时，直流分量高达75%以上，同样在开断发电机源侧额定短路电流时，直流分量高达130%以上，完全能满足此类应用场合的要求。

2.极高的额定短路开断次数

西门子3AH3型真空断路器在开断额定短路电流72kA时，开断次数达20次；开断额定短路电流63kA时，开断次数达30次；开断额定短路电流50kA时，开断次数达50次；所有断路器机电寿命均为10，000次。

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。

参考文献

[1]穆建军.中小型水轮发电机断路器的选择分析.中国农村水利水电，2003年第11期。