摘要：論述了真空斷路器用在中小型水電站發(fā)電機出口的可行性，同時也指出不容忽視的過電壓現(xiàn)象和直流分量開斷能力問題。通過對過電壓現(xiàn)象產(chǎn)生機理和發(fā)電機出口短路電流延時過零點現(xiàn)象的分析，歸納總結(jié)了目前在電站設(shè)計中常用的解決方法。
關(guān)鍵詞：中小型水電站；真空斷路器；過電壓；短路電流直流分量
1引言
擴大單元接線是中小型水電站較常采用的主接線形式，要求在發(fā)電機出口必須裝設(shè)斷路器（GCB）。因此在許多中小型水電站設(shè)計中都涉及到在發(fā)電機出口裝設(shè)斷路器的問題，部分老電站改造中也涉及增設(shè)GCB或?qū)υ猩儆虶CB進(jìn)行設(shè)備更新。那么，如何在設(shè)計中合理選用GCB就成為設(shè)計人員經(jīng)常遇見的問題。本文通過對真空斷路器用做GCB時出現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行分析，提出了相應(yīng)的解決辦法。
2真空斷路器用在中小型水電站中的可行性
自20世紀(jì)70年代起，真空斷路器的應(yīng)用越來越廣泛，結(jié)合中小型水電站的具體特點，真空斷路器的優(yōu)點如下：
（1）水電站大多在系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻或事故容量備用的任務(wù)，機組開停機頻繁。真空斷路器機械壽命長，能滿足實際需要。
（2）真空斷路器體積孝結(jié)構(gòu)簡單且具有良好的密封性、無污染、易維護(hù)，因此可節(jié)省大量運行維護(hù)費用。
3真空斷路器用做GCB出現(xiàn)的主要問題
由于GCB的開斷條件比普通配電型斷路器的開斷條件要苛刻的多，IEC、IEEE及我國部標(biāo)都為GCB制訂了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件。從技術(shù)性能上分析，真空斷路器用做GCB主要存在兩個方面的問題。
（1）操作過電壓：其主要形式是重燃過電壓。由于開關(guān)多次開合操作，存在能量重新分配而導(dǎo)致的可能在某些設(shè)備上出現(xiàn)過電壓。過電壓的高低與電弧重燃和熄滅的時刻有著密切的關(guān)系。真空開關(guān)觸頭剛分開的瞬間，若電弧電流恰好在過零點，則電弧熄滅，但此時觸頭開距小，故上升較快的恢復(fù)電壓將使間隙擊穿而重燃，產(chǎn)生高頻電流，如果高頻電流幅值大于工頻電流瞬時值，又會出現(xiàn)出現(xiàn)高頻電流過零點，而真空斷路器具有切斷高頻電流的能力，于是真空開關(guān)再次滅唬如此反復(fù)，在多次電弧重燃過程中斷路器觸頭間的恢復(fù)強度在增長，同時，重燃過電壓的幅值也在增長，形成“電壓升級”，產(chǎn)生4倍以上的過電壓，最終對電機主絕緣和匝間絕緣產(chǎn)生較嚴(yán)重的危害。
（2）支流分量開斷能力問題：如文獻(xiàn)［1］所述，發(fā)電機提供的短路電流具有較高的直流分量，可能產(chǎn)生較長的延時電流零點，這就要求GCB具有強迫短路電流盡快過零的技術(shù)性能。直流分量的衰減取決于非周期分量時間常數(shù)Ta。通常情況下，發(fā)電機短路電流的直流分量比交流分量衰減的慢，因此可能出現(xiàn)延時電流零點。
4防止過電壓的措施
（1）采用低截流值觸頭材料的低電涌真空斷路器，可以有效降低重燃過電壓幅值和概率。
（2）在斷路器側(cè)加裝氧化鋅避雷器（MOA）。
（3）在斷路器側(cè)加裝阻—容吸收器（R－C吸收器）。
（4）采用MOA和R－C并聯(lián)使用的方法。
對于加裝MOA來限制過電壓的原理及效果大家是比較了解的，那么R－C吸收裝置對于抑制過電壓的幅度及瞬態(tài)恢復(fù)電壓的上升陡度的效果如何呢？文獻(xiàn)［2］中有關(guān)發(fā)電機出口真空斷路器抑制瞬態(tài)恢復(fù)電壓EMTP仿真計算結(jié)果如下：
不加R－C吸收裝置，瞬態(tài)恢復(fù)電壓幅值49．3kV，斷口瞬態(tài)恢復(fù)電壓陡度4．042kV／μs；
加R－C吸收裝置，瞬態(tài)恢復(fù)電壓幅值18．9kV，斷口瞬態(tài)恢復(fù)電壓陡度0．472kV／μs。
從試驗結(jié)果可以看出，如果不采用R－C吸收裝置，則斷口瞬態(tài)恢復(fù)電壓陡度值為4．042kV／μs，不滿足GCB開斷端部短路時的系統(tǒng)源預(yù)期瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升率為3．5kV／μs（對于發(fā)電機變壓器額定容量≤100MVA）的技術(shù)要求。而采用R－C吸收裝置，則瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升率降低至0．472kV／μs。可見采用R－C吸收裝置抑制過電壓上升陡度是行之有效的。
R－C吸收裝置和MOA都是為了限制過電壓。避雷器僅起限制過電壓幅度的作用，并不能緩解過電壓上升陡度，不能在發(fā)生重燃造成過電壓時保護(hù)設(shè)備，而R－C吸收裝置可以有效抑制過電壓上升陡度、降低重燃概率。故合理的方法是：采MOA和R－C吸收裝置結(jié)合使用。
5解決短路電流直流分量開斷能力的主要方法
（1）合理選擇發(fā)電機短路電流直流分量衰減時間常數(shù)Ta。
真空斷路器開斷容量大，但發(fā)電機出口短路電流中可能包含較高比例的直流分量（往往大于周期分量幅值20％），并可能產(chǎn)生較長（100ms甚至更長）的延時電流零點，如果斷路器不具備強迫短路電流盡快過零的技術(shù)性能，則在斷路器的固有分閘時間內(nèi)，短路電流仍未過零，也就是說，在觸頭完全分離的一個周波內(nèi)電弧電流仍然未過零，電弧不熄滅。從而由于燃弧時間過長導(dǎo)致電氣設(shè)備受損。
支路短路電流直流分量計算公式如下：
顯然Ta值愈小，則短路電流直流分量Ifz（t）值愈小，愈有利于斷路器的開斷操作。
式（1）中：
其中XΣ只與發(fā)電機本身結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，與短路的外界條件無關(guān)，而RΣ是指整個短路回路的電阻之和。
從以上分析可見：選用適當(dāng)Ta值對降低直流分量數(shù)值和抑制延時電流零點很有用。
（2）設(shè)計有利于減小短路容量的主接線方案。
（3）選用開斷電流提高1～2兩個等級的斷路器。
可在按對稱短路電流計算選擇斷路器開斷電流的基礎(chǔ)上，將開斷電流值提高1～2個等級，從而滿足真空斷路器用做GCB的非對稱開斷要求。
6結(jié)束語
隨著真空斷路器觸頭材料及制造工藝等的改進(jìn)，真空斷路器的性能較應(yīng)用初期已有巨大進(jìn)步，中小型水電站采用真空斷路器作為發(fā)電機斷路器的性能優(yōu)勢是顯而易見的。
參考文獻(xiàn)：
［1］王漢明．對真空斷路器用做發(fā)電機斷路器的探討［C］．2000年電氣學(xué)術(shù)交流會論文集．
［2］張萬榮．發(fā)電機出口真空斷路器瞬態(tài)恢復(fù)電壓的研究［J］．高壓電器，2000，（4）．
