中小型水电站发电机断路器瞬态恢复电压探讨

【摘要】本文从理论上介绍了用注入电流法配以叠加原理求解发电机断路器瞬态恢复电压的方法，并以中小型水电站为实例，计算了发电机断路器出口短路时产生的瞬态恢复电压，对发电机断路器的选择具有借鉴作用。

【关键词】水电站，发电机，断路器，瞬态恢复电压

1.前言

一般把装机容量在5000kW以下的水电站定为小型水电站，5000～10000kW定义为中型水电站。我国大部分水电站已经运行近30年，近几年老水电站都在陆续进行增效扩容改造，同时也陆续投入了一些新水电站，如何正确设计选择发电机断路器，其意义非同寻常，过去一般使用通用型断路器用作发电机型断路器，主要依据额定电流、额定短路开断电流来选择，运行经验表明，由于电压恢复速度过大而引起断路器不能开断的事故屡见不鲜。发电机断路器对某些技术性能的技术参数要求较为苛刻，特别是瞬态恢复电压陡度要求高。因此很有必要认识和研究影响发电机断路器开断能力的重要因素之一-瞬态恢复电压。

2.发电机断路器及瞬态恢复电压的概念

所谓发电机断路器就是指连结在发电机主回路中的三相断路器。主要用于保护电站的主要设备水轮发电机组。电力系统发生短路，断路器分闸开断短路电流。断路器触头分离后，触头间产生电弧，电弧电流过零瞬间，电弧熄灭，触头上产生暂态恢复电压。电压恢复过程中首先出现在弧隙间的是具有瞬态特性的电压，称为瞬态恢复电压。瞬态恢复电压存在时间非常短，只有几十微秒至几毫秒。电力系统中发生短路时，断路器能否开断短路电流 ，取决于开断瞬间电流过零后触头间电压恢复过程与介质强度复过程的对比。恢复电压的上升速度越高， 峰值越大 ，灭弧就越困难 。作为中小型发电机出口断路器，必须承受较高的瞬态恢复电压。

3.恢复电压峰值和上升率计算

3.1计算理论过程。恢复电压的峰值及波形变化是一个较复杂的物理过程，它与系统的电压等级、系统接线、设备参数、断路器的位置、 故障种类、开断相序等因素有关。目前国内外主要采用电磁暂态类软件计算瞬态恢复电压（简称TRV），TRV主要考核2个指标：一个是上升率，另一个是峰值。对断路器的首先开断相来说，恢复电压的峰值和上升速度较大，可用单相等值电路来研究， 而对35KV及以下系统， 瞬态恢复电压近似于单频振荡波，可用两参数加延滞线法表示 ，对恢复电压可用解析法计算。

假定忽略系统中各元件的电阻，其计算结果所带来的误差小于1%，同时不计及线路电晕及变压器铁芯的饱和;电网电压和短路电流均为正弦的，不考虑短路电流的非周期分量。用解析法计算如下：为了确定恢复电压，采用注入电流法。应用叠加原理求出单频计算电路，如图1所示电路，图中U为首开相电源，图2为注入电流法说明图。

其中：r一并联网络线路阻杭的等效电阻;

L一断路器电源侧等值电感;C一 断路器电源侧设备、导线的等值电容;

一 短路电流;一 反向注入电流;一断路器

三相短路时，经推导得出近似计算公式如下：恢复电压Uhf、平均

恢复电压上升速度Up 及最大上升速度Um的近似计算公式如下：

d0，Uhf=ω[L（1-t）] ;d1，Uhf=ω[L（1-）];

d2，Uhf=ω[L（1-）];d0，Up= ）p=2ω;

d1， Um= ）t=0=-ω;d2， Um=ω。

其中：d=

以发电机出口短路为例：三相接地短路的计算参数如下：

R= ; L= ; C=;

其中R表示并联网络波阻抗等效电阻，Z1表示线路正序波阻抗，Z0表示线路零序波阻抗，n表示除故障线路外的支路数，L表母线上的等效电感，L1表母线上变压器和发电机的正序电感，L0表母线上变压器和发电机的零序电感，C表母线上的等效电容，C1表母线上所有元件的正序电容，C0表母线上所有元件的零序电容。由于在等值电路中，发电机与交流系统之间的接线方式以及变压器、母线、线路等其它各元件的电感与电容都做了详细的考虑，计算出的断路器瞬态恢复电压应该是较为准确的，可作为断路器选择的参考。

3.2 计算实例

以某小型水电站实际电网为例，计算3号发电机出口短路时，瞬态恢复电压以及恢复电压的上升率。装机容量为4×6300KW，机端电压为6.3KV，有两个升高电压等级35KV/10KV，其中35KV出线一回与电力系统相连（上网），距离为5 5Km。10KV出线四回，向近区负荷供电。功率因数：cosφ=0.8，主接线图如图3所示。6.3kv母线为15米铜线。短路电流的计算采用标幺值进行近似计算，取统一基准容量=100MVA，将各级电压的平均额定电压取为基准电压，即UB=UV。

（1）3号发电机出口d1点短路，经计算得出系统侧提供的短路电流5.31KA，发电机侧提供短路电流为16.02KA， d1点短路时的短路电流为21.33KA，详细计算过程略。

（2）瞬态恢复电压的各相关参数计算如下

=955=9550.4=382， =955=9550.8=764

发电机、变压器并联电感值：==/100=14.82;L1==14.82/314=0.047（H）

==0.6350.047=0.029（H）=0.25/20.047=0.0059（H）

L===0.021（H）; r===152.8（）;

=20.07=20.07;

=90.08=0.72（F）;=20.65=1.3（F）;

=80.31=2.48（F）;=3150.01=0.45（F）;

==（2.77+0.72+1.3+2.48+0.45=7.72（F）

c===7.72 （F）

衰减指数：d===5.37

（3）恢复电压计算如下

=

=（kv）;

其中系统源瞬态恢复电压为：

= =

=（kv）;

Um=ω=21.33=1.447（kv/μs）。

4、结论

由计算可知，该水电站603号断路器出口三相短路时，通过断路器的恢复电压的上升率达到1.447千伏/微秒，由系统源瞬态恢复电压可达49.5千伏。而普通断路器开断故障电流时恢复电压的上升率只有为0.3kV/us，显然如果采用普通断路器是不理想的，可采用发电机专用断路器并抑制瞬态恢复电压，如何抑制中小型水电站发电机断路器瞬态恢复电压，目前可采用氧化锌避雷器及阻容吸收电路，这里就不详述。

在选择断路器时，对于随机性的一些技术参数，如瞬态恢复电压峰值、上升率、时间常数、截流值等， 尽可能地进行各种条件下的计算分析比较。 根据已知的设计数据， 合理选择断路器的技术参数配置，确保发电机保护断路器长周期的可靠、安全、经济运行水平。

参考文献：

[1]张万荣 赵伯楠 苟锐锋 《 发电机出口真空断路器瞬态恢复电压的研究》 高压电器 2000年第4期

[2]黄守 盟 郑盛琼《开端短路故障时的恢复电压计算》武 汉 水利 电 力 学院

[3]蒲如兰 对电力系统近区故障开断高压断路器选择方法 的探讨 福州大学学 报（ 自然科学版） 1990年11月 第8卷 第3期

基金资助项目：2013年度湖南省教育厅科学研究一般项目 项目编号：13C578

作者简介：吴明亮，男，1964年2月，本科，电气技术副教授，湖南水利水电职业技术学院从事教学与科研工作。