6?500?MVA短路发电机系统保护断路器选型讨论
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摘 要：该文通过对6 500 mva短路发电机系统的短路工况进行了仿真分析，提出了保护断路器的性能参数要求；在充分比较市场现有产品的基础上，提出了基于紧耦合电抗器的并联型真空断路器方案。分析表明，该方案能很好地满足系统保护要求，并且大大节约了投资和维护成本。
关键词：6 500 MVA 发电机断路器 紧耦合分裂电抗器
中图分类号：TU990 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）12（b）-0050-03
短路发电机专门用于开关、变压器等高压电气设备的大容量短路试验[1]。保护断路器会在短路发电机系统遇到非预期故障短路、试品开断不成功等状况时开断短路电流，保护系统内各设备。
6 500 MVA短路发电机是目前国内最大容量的同类产品[2]，为其选型保护断路器面临适用产品少、价格高昂等不利因素。该文通过对该发电机系统的短路工况进行了仿真分析，提出保护断路器的性能参数要求；在充分比较市场现有产品的基础上，提出了基于紧耦合电抗器的并联型真空断路器方案；分析表明，该方案能很好地满足系统保护要求，并且大大节约了投资和维护成本。
1 需求分析
短路发电机系统结构如图1所示，从发电机定子出线端起，依次连接保护断路器、操作断路器、合闸开关、限流电抗器、试验变压器和被试设备。有些大容量试验站，保护断路器和操作断路器互为备用。
短路发电机系统从定子出线端至试验变压器一次侧，全部采用离相封闭母线，基本避免了相间短路和三相接地短路。因此，综合考虑保护需求和经济性，发电机断路器开断的最严重故障确定为“发电机升压至15 kV，空载状态下试验变压器二次侧出口发生三相对地短路”。
依据标准GB/T 14824-2008[3]推荐方法计算，该故障状态下的对称电流波形和最大非对称电流波形，分别如图2和图3所示。
其中，短路发电机系统的参数如下：额定电压UN为14 kV，额定转速n为3 000 r/min；定子绕组电阻RA为0.88 mΩ，正序电阻R1为2.7 mΩ；负序电阻R2为4.4 mΩ，直轴同步电抗Xd为730 mΩ，直轴瞬变电抗Xd`为41 mΩ，直轴超瞬变电抗Xd"为30 mΩ，负序电抗X2为30 mΩ，三相短路时直轴瞬变电流衰减时间常数Td`为0.55 s，三相短路时直轴超瞬变电流衰减时间常数Td"为0.026 s，短路变压器折算至一次侧阻抗为45 mΩ，发电机出线端至短路变压器一次侧和发电机尾端出线至接地点的总阻抗Z1为13.25 mΩ；直流分量衰减时间常数为0.159 s。
由图2、图3可知，该故障状态下，系统短路电流有效值为150 kA，峰值为400 kA，在50 ms处的直流分量约为70%（相对于150 kA的峰值）。考虑裕度，确定保护断路器的主要技术参数如表1所示。
2 市场情况
目前，市场上开断能力达到160 kA的发电机断路器，灭弧介质大致有两种，分别为SF6气体和压缩空气，性能对比如表2所示。
ABB等公司的SF6发电机断路器广泛应用于发电厂，但需要在入线端和出线端并联对地电容以抑制恢复电压上升率，因对试验波形影响大而不适用于试验站使用；同时，其电机断路器的使用寿命有限，维护工作量大。
MTSA公司的压缩空气发电机断路器是专用于试验站的产品，自带限流功能，可在7 ms内切断故障电流，但作为进口设备，售价和维护费用都比较高。
3 真空并联开断方案
利用一台15 kV/80 kA真空发电机断路器的两个边极，通过紧耦合分裂电抗器并联，以实现15 kV/160 kA的电流开断能力。紧耦合电抗器并联状态下，阻抗小于2 mΩ，起到均流的作用；当单臂工作时，阻抗约为752 mΩ，可将160 kA的短路电流限制到80 kA以内，再由80 kA开断能力的真空灭弧室开断。仿真分析最严酷的并联开断工况：A相首先过零，并联的两极只有一极开断，因此，A相回路串入一个支路电感；C相接着过零，并联的两极只有一极开断，因此，C相回路再串入一个支路电感；接着B相过零，并联的两极只有一极开断，因此，B相回路也串入一个支路电感；接着A相过零，完成开断，成为首开极；最后B相和C相串联开断剩下的回路。仿真波形如图4所示。由图4可知，该方案具备限流开断能力。
4 结语
（1）6 500 MVA短路发电机系统，在出线端至短路变压器一次侧采用离相式封闭母线的情况下，大致需选用15 kV/160 kA的保o断路器。
（2）基于紧耦合分裂电抗器的并联型真空发电机断路器方案能满足该系统保护的需求。
参考文献
[1] 张万兵，邵桂兰，宋晓东，等.6500MVA冲击发电机结构特点[J].电工电气，2010（9）：31-33.
[2] Zheng Z，Wu X，Hong S，et al.Facility Requirement Analysis of an UHV Transformer’s Short-circuit Test[M].Atlantis Press，2015.
[3] 中国国家标准化管理委员会.GB/T 14824-2008 高压交流发电机断路器[S].北京：中国标准出版社，2009.
[4] 尹婷，陈轩恕，杜砚，等.采用紧耦合电抗器的大容量高压断路器设计[J].高电压技术，2010（6）：1577-1582.