发电机断路器

 1.  引言：随着节能、环保要求的日益提高，天然气、水力发电、联合循环工厂等新能源发电越来越多，这些小型发电机的容量一般小于100MVA，额定电流在5000A及以下。使用传统的SF6发电机断路器体积、重量、价格等不适用于小型发电机的要求，而一般配电真空断路器并不能随便用于发电机和升压变保护。

2.   发电机短路器的标准及参数要求

1997年，IEEE制定了名为“ C37.013-1997，交流高压发电机断路器的IEEE标准”的标准。该标准的目的是考虑发电机断路器所需的严格操作能力下的参数。适用于中央电站发电机额定电流为6300安培及以上，通常是带有液压操作器固定安装的SF6绝缘断路器。近年来，越来越多的小型发电机被使用，额定电流范围在1200安培至6000安培之间。大型发电机所需的许多相同的严格耐受参数，也适用于小型发电机，IEEE一直在准备C37.013的补充，特别是针对100 MVA范围的小型发电机的断路器。

IEC和IEEE在 2015年联合发布了IEC/IEEE62271-37-013交流发电机断路器标准 , 该标准是 IEC 62271的一部分，适用于室内或室外安装，额定电压1 kV到38 kV，额定频率50 Hz和60 Hz，安装在额定值为10 MVA及以上的发电机与升压变之间的发电机断路器。发电机额定小于10 MVA的回路和抽水蓄能装置被认为是特殊的，应用程序及其要求未完全包含在该标准中。GB/T14824-2008标准是采用IEEE C37.013:1997标准进行全面修订的，适用于安装在发电机和升压变之间所有的高压交流发电机断路器。

区别于一般配电断路器，发电机断路器主要有以下严格使用要求：

图1  发电机系统短路故障

系统源故障短路电流：参照图1的单线表示法，在安全开断电源中的短路故障方面存在重要问题。配电电路断路器通常无法处理的发电机电路。在系统源故障中，发电机断路器必须开断通常很高的系统源贡献的短路电流，由于变压器和连接母线的阻抗不受限制。断路器不仅要开断对称短路电流，但通常很高的直流分量百分比会迫使产生更高的不对称短路值。例如，假设直流分量为75％，使用公式It = SqRt（2x％DC x％DC + 1）x I计算，则50 kA的对称故障将导致70kA非对称故障，发电机断路器必须能够安全开断。

发电机源故障短路电流：由于系统“电流延迟过零” 的效果，安全开断故障电流的问题变得更加复杂，这是由于系统的X / R（电感与电阻）比率过高导致的，短路电流的不对称分量超过100％。这种很高的直流分量的作用是导致第一个过零点被延迟几个周期。由于断路器是依靠电流过零点来开断短路电流的，这种过零时间的延迟要求断路器要足够坚固，以承受更长时间的电弧，电气，机械和热应力作用在断路器上的额外影响。

失步开断、关合功能：断路器还必须承受可能发生的失步开断。同步性差，或者发电机和线路之间电压和频率的不同步时的意外闭合。

较高的绝缘能力：发电机电压可能会发生变化，并且随着断路器的断开而加速。这可能会在断路器上施加高达额定电压2.5倍的电压。因此，C37.013要求额定电压15-17.5kV发电机断路器雷电冲击电压110kV，工频额定50kV，比配电断路器要求高，对于15kV及以下的发电机断路器，则耐压值相同。

瞬态恢复电压（TRV）。在触头开断的瞬间，整个灭弧室触头间隙的介电强度减小到最小，在整个触头间隙上产生的电压高达线对线电压的两倍。这称为瞬态恢复电压。特别是对于发电机，此TRV在3.5 kV至4.0 kV /微秒的范围内会迅速出现峰值，发电机断路器必须承受该TRV的上升速率，并尝试在第一个电流过零时开断电流。TRV的上升率以RRRV计量，配电断路器的RRRV只有0.4kV至1 kV /微秒。

3.   典型真空发电机断路器的试验参数

近年来，小型真空发电机出口断路器广泛使用，江苏森源、厦门华电等国内主流厂家都获得了型式试验报告，基本参数都是50kA 4000/5000 A，满足100MVA小型发电机应用。对于10MVA以下的发电机，采用普通断路器即可满足应用要求，而大于10MVA则需要采用满足C37.013标准的发电机出口专用断路器。