发电机出口断路器选型

-1-发电机出口真空断路器的选型近几年来,真空断路器在中压输配电领域得到了飞速发展,占据了该领域的绝对市场优势.同时针对于发电机出口应用场合,也有了长足的进步,特别是近年来国内中小型水电站(发电机组单机容量=100MW)原有少油出口断路器SN4改造项目,真空断路器以压倒性的优势取代了SF6断路器.综合其原因主要有以下几点:1.可靠安全的机械和电气性能2.较长的机械和电气操作寿命3.最高的经济性，节省投资4.节省空间，电网改造的最佳方案5.彻底免维护6.较短的交货期7.无潜在的腐蚀和有毒的气体分解物德国西门子公司于1988年向国内提供了首例应用,安装于云南卢布革水电站,型号为3AH3,额定容量为12kV/6,300A/40kA.但发电机出口场合不同于一般的中压配电应用,就断路器型式试验而言,国内试验站无论是西高所,沈高所,以及北京电科院,由于受到试验设备限制,所执行的标准均为GB1984或者DL402.无法对国际通用的IEEE/ANSIstdC37.013«以对称电流为基础的交流高压发电机断路器标准»规定的试验项目进行验证,就国内相应标准而言,则为DL427以及GB/T14824.以下列举其与GB1984/DL402的主要区别;1.主触头极限温升2.ANSI/IEEEC37.013触头表面允许温升K温度极限值ºC银,银合金或等同物65105铜3070GB1984/DL402触头表面允许温升K温度极限值ºC银,银合金或等同物75115铜35753.额定电流下导电连接处的极限温升ANSI/IEEEC37.013触头表面允许温升K温度极限值ºC银,银合金或等同物65105铜3070GB1984/DL402Page2of6ofLetterdated22/02/2004toOurreference:-2-触头表面允许温升K温度极限值ºC银,银合金或等同物75115铜50904.多相短路非对称开断能力ANSI/IEEEC37.013当X/R=50,发电机断路器主触头分离时间为4周波时,非对称开断能力与对称开断能力的比值保守估计为1.32,系统源故障时,直流分量保守值为50%;发电机源侧短路时则可超过100%.GB1984/DL402以分闸时间为3周波计算,则直流分量试验值通常为30%左右5.额定固有暂态恢复电压(TRV)及上升速率(RRRV)ANSI/IEEEC37.013系统源故障变压器额定容量(MVA)TRV(kV)RRRV(kV/us)=1001.84U3.5101~2001.84U4.0202~4001.84U4.5发电机源故障发电机额定容量(MVA)TRV(kV)RRRV(kV/us)=1001.84U1.6101~2001.84U1.8202~4001.84U2.0失步开断变压器额定容量(MVA)TRV(kV)RRRV(kV/us)=1002.6U3.3101~2002.6U4.1202~4002.6U4.7U----发电机断路器额定最高电压变压器额定容量(MVA)TRV(kV)RRRV(kV/us)=1002.6U3.3101~2002.6U4.1202~4002.6U4.7GB1984/DL402额定电压试验方式TRV(kV)RRRV(kV/us)7.2kV4(100%Isc)19.70.24124(100%Isc)11.80.34纵观目前国内应用的国际知名品牌以及国产真空断路器,就发电机应用场合来说,基本情况如下:Page3of6ofLetterdated22/02/2004toOurreference:-3-ABB公司由于其真空断路器受到额定容量限制(最大至50kA/3150A),很少涉足于此领域;ALSTOM公司由于其真空断路器技术参数存在缺陷(如直流分量仅为20%,分闸时间较长等),无法满足应用要求;国产品牌如北开,天水等,其发电机出口断路器为新开发产品,产品技术稳定性有待考验,试验标准无法满足ANSI/IEEE标准要求参数,国内使用业绩鲜见,在此类极具重要性的场合,目前不推荐作为使用产品;西门子公司于80年代末向全球市场推广发电机出口真空断路器以来,至今已有超过1,500台在全世界范围内安全运行.国内业绩自1995年后不完全统计已经达到234台,其中大部分运行于水电厂,其成熟性和稳定性得到了一致公认.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),并且对原有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3A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).西门子承偌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2.1p.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.附:试验报告TVS2448及总结陈述.2.可满足极高的RRRV试验报告TVM2/2867E清楚表明了西门子真空断路器17.5KkV/63kA成功通过了TRV(=30kV),RRRV(11kV/us),短路电流50kA以及TRV(30kV),RRRV(18kV/us),短路电流63kA的型式试验,试验标准为IEEEC37.013-1989.由于采用相同的触头材料,所以以上试验报告中RRRV值适用于其他型号所有西门子真空断路器.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.3.可满足对于直流分量的要求西门子3AH38(17.5/63kA)型真空断路器在开断额定短路电流63kA时,直流分量可达76%;3AH3AH3028/3128/3178/3228型真空断路器在开断额定短路电流63kA时,直流分量可达60%;Page4of6ofLetterdated22/02/2004toOurreference:-4-3AH3057/3117/3167/3217型真空断路器在开断额定短路电流50kA时,直流分量可达60%;3AH1116//1166/1216型真空断路器在开断额定短路电流40kA时,直流分量可达60%;以上断路器完全能满足此类应用场合的要求.4.极高的额定短路开断次数西门子3AH38(17.5/63kA)/3228型真空断路器在开断额定短路电流63kA时,开断次数达30次;3AH3AH3028/3128/3178型真空断路器在开断额定短路电流63kA时,开断次数达50次;3AH3057/3117/3167/3217型真空断路器在开断额定短路电流50kA时,开断次数达50次;3AH1116//1166/1216型真空断路器在开断额定短路电流40kA时,开断次数达50次;以上所有断路器机电寿命均为10,000次5.广泛而可靠的运行业绩无论是起始于80年代末90年代初的初期应用(东北电网红石水电站等),还是最近几年在广西,广东,福建,四川等地大量的水电站运行业绩,都表明了西门子3AH真空断路器性能是极其可靠而出色.6.完善的售后服务体系.西门子(中国)有限公司在上海设有输配电集团中压开关元件技术支持部,经德国总部多次培训的资深专业工程师可随时向用户提供一流的服务,一旦应用户需要,可在最短时间内赶赴至现场解决问题.售后服务热线:021-64128008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.附:1.直流分量浅析对于断路器开断短路电流的考核,严格意义上应分为对称短路电流以及非对称短路电流.对称短路电流仅局限于短路电流的周期分量,非对称短路电流为周期分量以及直流分量之和.GB1984以及DL403标准针对断路器型式短路开断试验有如下要求:试验方式1~4(主要考核对称短路电流开断能力)中,开断电流的直流分量不得超过20%.原因如下: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.电力系统三相短路电流,最严酷情况下冲击电流计算结果如下:ia=-Ipmcosωt+Ipme-t/TaPage5of6ofLetterdated22/02/2004toOurreference:-5-根据短路电流波形,短路电流的最大值即短路冲击电流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:(1+e-0.01/Ta)Ipm=kimIpm通常情况下,当短路发生于发电机出口时,取kim=1.9;于电厂电站中心时,取kim=1.85;于其他地点短路时,取kim=1.8,此时峰值电流为1.8*Root2*Isc=2.55Isc.其中Ta=L/R,电网固定参数;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电网固定参数Ta因此1.GB1984以及DL402又有如下规定:对于时间间隔τ(断路器最小分闸时间+10ms)不大于70ms的断路器必须进行方式5试验(包括方式1~4).试验方式5应以100%的额定短路电流,直流分量等于τ值所对应的规定值.对于用在直流分量可能大于GB1984以及DL402中相应规定值的场合(如发电机出口以及发电站中心附近)的断路器,试验应由制造厂协商.2.TRV及RRRV浅析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.由于电弧一经形成,断口间的介质就会因电弧放电而强烈游离,因此在电流过零电弧自然熄灭后,断口间的绝缘不能立即恢复.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.短路故障电路大多为电感电阻性电路,电流过零时电路中断,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:工频恢复电压大小;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:Page6of6ofLetterdated22/02/2004toOurreference:-6-Uc=1.4x1.5x(root2/root3)xUn;1.4-----