新聞主題	柴油發電機出口斷路器開關選型表

 

摘要：針對柴油發電機出口斷路器的選擇問題，應依據GB/T14824—2008、IEEEStdC37.013—1997和IEC60909-0—2001中的計算方法，并結合發電機出口回路正常工作和故障電流都特別大的特點；同時由于與發電機的電氣距離很小，其在短路暫態過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電機組斷路器專業要求和技術分析。

 

一、出口斷路器的作用

 

      繼電保護就是柴油發電機氣空氣開關的作用，當柴油發電機發生短路或者其他不正常狀態的時候，這個設備發出指令，去命令斷路器去跳開線路或者某故障設備，從而保障柴油發電機的安全穩定運行。發電機出口空氣斷路器通常裝有欠壓、過載和短路繼電保護裝置。斷路器外觀示意圖如圖1所示，內部結構如圖2所示。

1、欠壓保護原理

      當發電機輸出電壓正常對負載供電時，失壓脫扣電磁鐵線圈經按鈕TA的常閉接點和自動開關常開輔助觸頭（合閘后已閉合）接于電源側線電壓上。電磁鐵線圈2通電，產生電磁吸力大于彈簧5拉力，沖擊桿4被吸下，自動開關處于合閘狀態。

      由于失壓脫扣器作發電機欠壓保護裝置時，其啟動電壓的整定值整定在低于發電機額定電壓的70％，瞬時動作，因此，當發電機輸壓下降到欠壓保護整定值時，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，自動開關在斷路彈簧的作用下，自動跳閘。當需要遠距離控制時，可按下按鈕印可跳閘。

2、過流保護原理

      過流脫扣保護裝置由兩個過流脫扣器電磁鐵組成。當發電機的電流正常時，過流脫扣器電磁鐵的吸力小于彈簧拉力，搭鉤與鉤桿鉤牢，自動開關處于合閘狀態。當發電機輸出的過載電流大于過載保護啟動電流的整定值時，電磁鐵線圈產生的吸力大于彈簧拉力，吸動銜鐵，沖擊桿抬起撞在搭鉤上，使其與鉤桿脫開，自動跳閘。

      對于有延時機構的自動空氣斷路器，過載長延時保護的啟動電流可在（1.55～2）倍脫扣器額定電流范圍內整定，動作時限可在（4～15）s范圍內整定。短路短延時保護的動作電流可在（3～4.5）倍脫扣器額定電流范圍內整定，動作時限可在0.2、0.4、0.6s整定。

      DZ10型是采用熱脫扣器作為過流脫扣器的自動空氣斷路器。當過載時，電流使雙金屬片受熱向下彎曲，經過一段時間后，杠桿的下端從調節螺絲中脫出，在彈簧的作用下，主軸沿順時針方向轉動，當主枉桿從鋼片中脫出時，在彈簧的作用下，開關自動跳閘。電磁脫扣器，當短路時，短路電流通過電磁脫扣器線圈產生較強的磁場，吸力增強，吸動銜鐵，使開關跳閘。

3、短路繼電保護原理

（1）作用

① 自動、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，并根據運行維護的條件，而動作于發信號、減負荷或跳閘。

（2）對繼電保護的基本要求

① 選擇性

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

② 速動性

      柴油發電機發生故障時，繼電保護裝置能迅速動作，切除故障；

③ 靈敏性

      對于柴油發電機保護的范圍內，發生故障或不正常運行狀態的反應能力；

④ 可靠性

      發生故障的部分不應該拒動，沒有發生故障的部分不能誤動（可依賴性、安全性）。

 

圖1  發電機塑殼斷路器外形示意圖

圖2  發電機斷路器的操作機構示意圖

 

二、發電機斷路器的特點及技術參數

 

      以康明斯發電機組為例，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

      由于發電機的電感值較系統相對要大，作為保護發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間常數均要大得多。若系統在斷路器上方發生短路故障，來自發電機側的短路電流由于具有較高的直流分量，可能會產生較長(100ms甚至更長)的延時電流零點，所以發電機斷路器的要求也應盡快迫使短路電流技術性能過零，否則，長時間短路電流可能會導致發電機或變壓器損壞。因此對發電機斷路器技術參數和性能要求更加嚴格。

2、發電機斷路器主要技術參數及要求

（1）開斷非對稱短路電流的能力。

      因發電機源在短路時會產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，故會出現延時電流零點。在一些情況下，發電機源會非常高的非對稱短路電流，是因為在發電機回路故障中，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標準對發電機斷路器的非對稱開斷性能作了明確的規定，要求發電機斷路器開斷發電機源短路電流的能力滿足非對稱度110%的要求。

（2）回路時間常數、瞬態恢復電壓、失步開斷電流和關合電流。

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

      發電機斷路器還有失步開斷要求，特別是在并網操作，出現兩個電源相角差180°的反相開斷時，首開相斷口的瞬態恢復電壓值會很高。

      另外發電機斷路器額定短路關合電流(峰值)和額定動穩定電流均為額定短路開斷電流的2.74倍，發電機額定失步開斷電流值為額定短路開斷電流的50%。由于發電機斷路器是利用其絕緣的介質和滅弧性能來關合和開斷電路，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擊穿。

（3）超過正常工作電壓的影響。

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

 

圖3  康明斯發電機組出口斷路器安裝位置

圖4  柴油發電機輸出開關柜結構圖

 

三、斷路器選型的基本原則

 

       柴油發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，相關的技術標準主要采用IEEE標準。按照國內現有用電的具體現象，本文只針安裝的環境條件是室內和海拔在1000m以下，環境溫度在-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倍的發電機電壓。

2、絕緣水平

      在零表壓下，在開斷位置應能承受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電壓。

3、額定操作順序

      系統短路狀態下，完成分、合→30min→分、合的操作循環。

4、額定電流

      額定頻率下各部分發熱不超過長期工作的最高的允許發熱溫度的電流是額定電流，長期通過斷路器且使斷路器無損傷。可按照發電機的額定電流進行選擇。

5、斷路器品牌選型

      在選擇發電機真空斷路器產品時，一定要滿足發電機系統的額定電壓、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、回路時間、失步開斷電流、瞬態恢復電壓上升率等是否符合設計規定，滿足設計要求。同時對不同品牌開關擇優選擇，不同品牌開關型號如表1所列。

表1    柴油發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，關于發電機出口斷路器的相關規定，應從多個方面對發電機類出口斷路器功能進行考核∶系統源短路、發電機源短路以及發電機失步兒種情況下的斷路器開斷和開合都應當根據發電機情況做出相應調整，其他情況下的發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）發電機短路性能測試

      考慮到發電機出口斷路器的運行，采用的操作順序與非自動重合閘保持一致。而直流分量又包含了低于20%與高于20%兩種情況。瞬態恢復電壓 TRV 的峰值應該是發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合時，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。若斷路器分閘時間在 60 毫秒以上，則不需要額外進行不對稱情況下的開斷試驗。針對發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，首開相或者單相的試驗環境。此外，即使開斷與關合時，電流數值一樣，則斷路器的開關應該擁有較高的直流分量與瞬態恢復電壓為基礎對比常規性斷路器，發電機出口斷路器的相關要求更為嚴格。發電機短路試驗如圖5所示。

（2）發電機源短路的開斷試驗

      發電機源短路的開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是實例的計算短路電流電路圖，C0~G4為等值發電機，G為系統電源，QF為G2發電機出口的廠用分支斷路器，K為待求短路點。按計算曲線法將圖3所標電抗值化簡為各電源到短路點K的轉移電抗，并按各相應的電源的容量進行歸算，得到各電源對短路點的計算電抗，并以此查計算曲線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）失步開斷與關合試驗

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

 

圖5  發電機短路特性試驗接線圖

圖6  計算發電機短路電流電路圖

 

總結：

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

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