略论发电机保护用真空断路器应用中的若干问题

略论发电机保护用真空断路器应用中的若干问题

靳燕燕任军新

甘肃省平凉市崇信县崇信发电有限责任公司甘肃平凉744200

摘要：对于很多大容量、安全性要求高的机组进来说，发电机断路器的安装非常重要，这样可以使发电机具有较高的可靠性。所以要在新建的火力发电发电机变压器与升压变压器间安装断路器，这也可以使产供电系统的稳定性得到保障。本文就对真空断路器应用中的问题进行了论述，其中涉及到额定电流过大、开断电流过大、失步开断等。

关键词：发电机保护；真空断路器；问题

真空断路器在我国得到了广泛的应用，其在很多方面要优于其他类型的断路器。而且在中低压领域，真空断路器有着非常大的优势。当然任何设备都不能够完全确保不会出现一些状况，真空断路器也不例外。所以，对真空断路器应用中出现的问题进行分析、探讨很有必要，针对这些问题提出措施具有非常重要的意义。

1、发电机保护用断路器应用简述

GCB直接连接在发电机与升压变压器主回路之间，由于近年来用电量的加大，很多大型电站机组容量被提升，这样也就提升了对电站运行的可靠性要求[1]。这也致使很多新发电厂在发电机出口端装设发电机保护用断路器。这不仅省去了电源专用线路使结构简化，还降低了总成本，提高了电厂保护的可靠性[2]。早期的发电厂采用的单元接线方式为单机-单变的方式，在主变压器与发电机之间不装设断路器。这是由于单线连接方式中发电机高压侧主断路器提供保护会使操作、控制更加复杂，也在一定的程度上提升了运行成本。图1为某厂家采用的发电机保护断路器的单元接线图。

图1装设发电机保护器断路器的单元接线图

2、真空断路器的相关问题

发电机出口端的工作条件与一般的输配电断路器不同，所以发电机保护用真空断路器就需要很多的技术要求。发电机组容量决定着流过真空断路器触头与导电系统的额定电流，而机组的容量越大，流过导电系统与断路器触头的电流就会越大，这样会出现发热的情况，对设备会造成一定的损害[3]。由于现在的机组容量大，所以这需要保护用发电机组的真空断路器可进行大短路电流的开断。像220MW的发电机可产生的短路电流可能会超过100kA，所以在确保大开断短路电流的情况下可使短路问题及时得到控制。短路电流大也会影响到真空断路器的灭弧性能，而且短路电流会对真空断路器产生热效应与电动力效应，这样就需要真空断路器有更高的结构强度。一般发电机端口发生短路，发电机同步电抗与发电机定子回路总电阻的比值会很大，大致在80到100的范围内，这样就使短路电流衰减的时间常数变大。由于周期分量要比非周期分量更快的衰减，更早的达到稳态，这样就会造成几相短路电流在几个周波内不过零，这样就出现了失零问题。若发电机的单机容量越大，其短路电流的不过零时间就会越长，这样就会造成的失零问题就会更加严重。从理论上讲，发电机端口短路电流不过零时间可达十几个周期。由于真空断路器必须在电流过零时才能够可靠开断，所以短路电流失零就会使断路器燃弧时间增长，严重的情况下甚至不能够分断短路电流。所以，不仅要提高断路器的灭弧能力，还要采取措施缩短失零时间，加快短路电流非周期分量的衰减速度。一般短路电流过零时能够达到kV/us数量级的瞬态电压恢复速率，所以断路器短路电流过零后的介质强度回复速度的要求很高。发电机保护用断路器通常承担两个电源之间的联络，这样一台发电机和电网并网，如果电网因某种情况振荡，很有可能要求断路器的两个电源相位相差π时才会开断，这也就使断路器首开相端口间的工频恢复电压提升，从而导致断路器的开断很难。

3、真空断路器问题措施

发电机保护用真空断路器的开断短路电流大问题十分棘手，但只要在灭弧室触头间保持足够强的纵向磁场、选用合适的触头材料，真空断路器的开断电流就没有极限值。发电机保护用真空断路器在短路开断时的过零问题也是一样，当发电机断路器与主变压器之间发生短路，短路电流大小与波形就由发电机参数与事故发生瞬态的负载电流决定。由于断路器开断时短路点产生的电弧本身具有电弧电阻，这样短路电流的非周期分量就会按照新的时间常数进行衰减。这样短路电流就会提前过零，另外，利用智能控制设备进行短路电流波形的检测，根据相应的算法进行电流过零时间的计算、判断，经过延时之后由控制设备向断路器发送开断命令，这样电弧会在电流零点时熄灭。也可在发电机一侧进行串接电阻，这样正常工作情况下电阻短接，当短路电流非周期分量较大时串入电阻，这样就会减小非周期分量衰减时间常数，从而使电流尽快过零。还有额定电流大造成的发热问题，可增强灭弧室的散热、减小发热。可以在灭弧室上加装散热片，也可采用水冷或者风冷。增大触头导电杆的直径，这样能够使其热传导能力增强。若额定电流过大可利用过个灭弧室并联的方式进行分流，这样就减轻了灭弧室的工作负担。还有大容量发电机出口端有较高的瞬态恢复电压上升速率，这样电弧熄灭就存在一定的难度。真空介质具备一定的优点，其介质强度恢复速度非常快，像铜触头在真空中介质强度能够在2us内达到30kV以上。真空中介质强度恢复速度快也是真空断路器用作发电机保护的优点，但保证大电流燃弧后触头依旧具备很高的介质恢复速度非常重要，这样就必须保持触头间的电弧扩散型形态，至少在电流过零前电弧转变成扩散型。当然高动态真空度，低的触头材料含气量与必要的出游接触面积也很重要。另外，真空断路器还存在绝缘问题，这主要是外绝缘击穿和内绝缘击穿。对于真空断路器的外绝缘击穿主要指由于污闪以及雷击引起的断路器绝缘套管外部闪络。污闪产生的原因主要是由于瓷瓶泄露距离较小，不适于一些地区的使用。所以在一般地区要定期对套管表面的灰尘进行清理，提升相关地区的瓷瓶爬电比距。真空断路器内绝缘击穿主要指真空断路器内部不受外界环境影响所造成的绝缘部件击穿，主要原因是绝缘件的质量问题，可严格控制产品零部件的质量进行这一问题的处理。另外，对于带内置电流互感器的真空断路器，本体里充有一定量的六氟化硫气体作为绝缘物质，水分含量的升高会对产品的绝缘造成一定的威胁。所以，定期检测水分含量。还有真空灭弧室内的绝缘击穿，正常状况下真空灭弧室内部高度真空，触头间的气体非常少，不会受到极间电压作用而产生有利，但真空间隙被击穿，时间电压后产生的金属蒸汽或者触头释放所吸附的气体会产生游离气体，这样就影响了绝缘性能。可选择熔点、沸点高，但热传导率小、机械强度与硬度大的触头材料。通过预先向触头间隙施加高电压，使其反复放电，这样就使触头表面附着的金属或者绝缘微粒融化、蒸发。

4、结束语

对于真空断路器运行中出现的问题要谨慎对待，这样能够使电力系统运行的安全、可靠性得到确保。同时定期要进行这些问题的排查，一旦出现相关问题立即进行相关措施的采取，否则可能会造成严重的经济损失。

参考文献

[1]熊虎,于树义,陈维新,etal.柱上真空断路器的保护功能一二次融合试验研究[J].湖北电力,2018,v.42；No.256(02):9-13+35.

[2]郭良基.大型发电机组定子接地保护3U_0定值在实际工程中的应用分析[J].机电信息,2018,570(36):40-41+44.

[3]李晓川,吕健.25MW发电机组主保护与短线路差动保护的应用及校验方法[J].电工技术,2017(4):123-125.