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)了目前在電站設計中常用的解決方法。 
關鍵詞：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)電機出口必須裝設斷路器（GCB）。因此在許多中小型水電站設計中都涉及到在發(fā)電機出口裝設斷路器的問題，部分老電站改造中也涉及增設GCB或?qū)υ猩儆虶CB進行設備更新。那么，如何在設計中合理選用GCB就成為設計人員經(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)象進行分析，提出了相應的解決辦法。
    2真空斷路器用在中小型水電站中的可行性
　　自20世紀70年代起，真空斷路器的應用越來越廣泛，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)中擔任調(diào)峰、調(diào)頻或事故容量備用的任務，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，因此可節(jié)省大量運行維護費用。 
    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及我國部標都為GCB制訂了相應的標準和技術(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。由于開關多次開合操作，存在能量重新分配而導致的可能在某些設備上出現(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系。真空開關觸頭剛分開的瞬間，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，于是真空開關再次滅唬如此反復，在多次電弧重燃過程中斷路器觸頭間的恢復強度在增長，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)生較嚴重的危害。
    （2）支流分量開斷能力問題：如文獻［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)恢復電壓的上升陡度的效果如何呢？文獻［2］中有關發(fā)電機出口真空斷路器抑制瞬態(tài)恢復電壓EMTP仿真計算結(jié)果如下：
　　不加R－C吸收裝置，瞬態(tài)恢復電壓幅值49．3kV，斷口瞬態(tài)恢復電壓陡度4．042kV／μs；
　　加R－C吸收裝置，瞬態(tài)恢復電壓幅值18．9kV，斷口瞬態(tài)恢復電壓陡度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)源預期瞬態(tài)恢復電壓上升率為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設備，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致電氣設備受損。
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，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，真空斷路器的性能較應用初期已有巨大進步，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：
　　 
    ［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)恢復電壓的研究［J］．高壓電器，2000，（4）．