康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

新闻主题	柴油发电机出口断路器开关选型表

 

摘要：针对柴油发电机出口断路器的选择问题，应依据GB/T14824—2008、IEEEStdC37.013—1997和IEC60909-0—2001中的计算方法，并结合发电机出口回路正常工作和故障电流都特别大的特点；同时由于与发电机的电气距离很小，其在短路暂态过程中出现的冲击电流现象，康明斯公司提出了下列对柴油发电机组断路器专业要求和技术分析。

 

一、出口断路器的作用

 

      继电保护就是柴油发电机气空气开关的作用，当柴油发电机发生短路或者其他不正常状态的时候，这个设备发出指令，去命令断路器去跳开线路或者某故障设备，从而保障柴油发电机的安全稳定运行。发电机出口空气断路器通常装有欠压、过载和短路继电保护装置。断路器外观示意图如图1所示，内部结构如图2所示。

1、欠压保护原理

      当发电机输出电压正常对负载供电时，失压脱扣电磁铁线圈经按钮TA的常闭接点和自动开关常开辅助触头（合闸后已闭合）接于电源侧线电压上。电磁铁线圈2通电，产生电磁吸力大于弹簧5拉力，冲击杆4被吸下，自动开关处于合闸状态。

      由于失压脱扣器作发电机欠压保护装置时，其启动电压的整定值整定在低于发电机额定电压的70％，瞬时动作，因此，当发电机输压下降到欠压保护整定值时，电磁铁吸力小于弹簧拉力，冲击杆抬起撞到搭钩上，使其与钩杆脱开，自动开关在断路弹簧的作用下，自动跳闸。当需要远距离控制时，可按下按钮印可跳闸。

2、过流保护原理

      过流脱扣保护装置由两个过流脱扣器电磁铁组成。当发电机的电流正常时，过流脱扣器电磁铁的吸力小于弹簧拉力，搭钩与钩杆钩牢，自动开关处于合闸状态。当发电机输出的过载电流大于过载保护启动电流的整定值时，电磁铁线圈产生的吸力大于弹簧拉力，吸动衔铁，冲击杆抬起撞在搭钩上，使其与钩杆脱开，自动跳闸。

      对于有延时机构的自动空气断路器，过载长延时保护的启动电流可在（1.55～2）倍脱扣器额定电流范围内整定，动作时限可在（4～15）s范围内整定。短路短延时保护的动作电流可在（3～4.5）倍脱扣器额定电流范围内整定，动作时限可在0.2、0.4、0.6s整定。

      DZ10型是采用热脱扣器作为过流脱扣器的自动空气断路器。当过载时，电流使双金属片受热向下弯曲，经过一段时间后，杠杆的下端从调节螺丝中脱出，在弹簧的作用下，主轴沿顺时针方向转动，当主枉杆从钢片中脱出时，在弹簧的作用下，开关自动跳闸。电磁脱扣器，当短路时，短路电流通过电磁脱扣器线圈产生较强的磁场，吸力增强，吸动衔铁，使开关跳闸。

3、短路继电保护原理

（1）作用

① 自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭受破坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行；

② 反映电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件，而动作于发信号、减负荷或跳闸。

（2）对继电保护的基本要求

① 选择性

      指保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小；

② 速动性

      柴油发电机发生故障时，继电保护装置能迅速动作，切除故障；

③ 灵敏性

      对于柴油发电机保护的范围内，发生故障或不正常运行状态的反应能力；

④ 可靠性

      发生故障的部分不应该拒动，没有发生故障的部分不能误动（可依赖性、安全性）。

 

图1  发电机塑壳断路器外形示意图

图2  发电机断路器的操作机构示意图

 

二、发电机断路器的特点及技术参数

 

      以康明斯发电机组为例，其标准断路器安装位置如图3所示，内部结构如图4所示。

1、选择断路器的要求

      由于发电机的电感值较系统相对要大，作为保护发电机的断路器在切断回路故障电流的瞬间所承受的直流分量和衰减时间常数均要大得多。若系统在断路器上方发生短路故障，来自发电机侧的短路电流由于具有较高的直流分量，可能会产生较长(100ms甚至更长)的延时电流零点，所以发电机断路器的要求也应尽快迫使短路电流技术性能过零，否则，长时间短路电流可能会导致发电机或变压器损坏。因此对发电机断路器技术参数和性能要求更加严格。

2、发电机断路器主要技术参数及要求

（1）开断非对称短路电流的能力。

      因发电机源在短路时会产生直流电流和交流电流，直流电流具有较高分量，并且交流电流衰减比直流电流衰减的快，故会出现延时电流零点。在一些情况下，发电机源会非常高的非对称短路电流，是因为在发电机回路故障中，初始值和周期分量的初始值相互抵消的直流分量。IEEE Std C37.013和GB14824标准对发电机断路器的非对称开断性能作了明确的规定，要求发电机断路器开断发电机源短路电流的能力满足非对称度110%的要求。

（2）回路时间常数、瞬态恢复电压、失步开断电流和关合电流。

      发电机回路时间常数包括发电机次瞬态时间常Td”、瞬态时间常数Td'和非周期分量时间常数Ta,它们均与发电机转子阻尼绕组的参数和结构有关。若发电机出口短路，由系统源供给短路电流，则要求瞬态恢复电压(TRV)的上升率为3.5kV/μs；若发电机出口短路，由发电机提供短路电流，则要求TRV的上升率为1.4kV/μs。

      发电机断路器还有失步开断要求，特别是在并网操作，出现两个电源相角差180°的反相开断时，首开相断口的瞬态恢复电压值会很高。

      另外发电机断路器额定短路关合电流(峰值)和额定动稳定电流均为额定短路开断电流的2.74倍，发电机额定失步开断电流值为额定短路开断电流的50%。由于发电机断路器是利用其绝缘的介质和灭弧性能来关合和开断电路，因此其回路应具有很高的耐压水平，并能承受较高的恢复电压而不致击穿。

（3）超过正常工作电压的影响。

      在发电机出口处采用真空断路器，由于真空灭弧的特性，在开断过程中如发生截流现象，由此会产生截流过电压，这与断路器的结构和系统配置有关，但也有一定的随机性，所以对于柴油发电机是昂贵的，在发电机断路器保护电路，电压保护装置应该安装。

 

图3  康明斯发电机组出口断路器安装位置

图4  柴油发电机输出开关柜结构图

 

三、断路器选型的基本原则

 

       柴油发电机的出口断路器既有其特殊性，也有一般高压断路器的共性，相关的技术标准主要采用IEEE标准。按照国内现有用电的具体现象，本文只针安装的环境条件是室内和海拔在1000m以下，环境温度在-5～40℃间。以下为断路器的常规参数和要求：

1、额定电压

      断路器的额定电压应等于或大于1.05倍的发电机电压。

2、绝缘水平

      在零表压下，在开断位置应能承受1.5倍的下列电压∶断口间的反相电压相对地电压不同相之间的线电压。在零表压下，在闭合位置应能承受1.5倍的下列电压∶相对地电压不同相之间的线电压。

3、额定操作顺序

      系统短路状态下，完成分、合→30min→分、合的操作循环。

4、额定电流

      额定频率下各部分发热不超过长期工作的最高的允许发热温度的电流是额定电流，长期通过断路器且使断路器无损伤。可按照发电机的额定电流进行选择。

5、断路器品牌选型

      在选择发电机真空断路器产品时，一定要满足发电机系统的额定电压、额定电流，额定短路开断电流和直流分量的要求。并需要考虑断路器的截流值水平、回路时间、失步开断电流、瞬态恢复电压上升率等是否符合设计规定，满足设计要求。同时对不同品牌开关择优选择，不同品牌开关型号如表1所列。

表1    柴油发电机组出口断路器型号匹配

 

四、断路器的性能测试

 

      按照日前国际上广泛采用的 ANSI 标准的最新内容中，关于发电机出口断路器的相关规定，应从多个方面对发电机类出口断路器功能进行考核∶系统源短路、发电机源短路以及发电机失步儿种情况下的断路器开断和开合都应当根据发电机情况做出相应调整，其他情况下的发电机出口断路器性能测试内容同常规断路器的性能测试内容基本一样。具体测试内容及步骤如下：

（1）发电机短路性能测试

      考虑到发电机出口断路器的运行，采用的操作顺序与非自动重合闸保持一致。而直流分量又包含了低于20%与高于20%两种情况。瞬态恢复电压 TRV 的峰值应该是发电机工作电压最高值的 1.7 倍左右 ，相应的上升率则约为3.5kV/微秒；此外在测试出口断路器关合时，系统测试电流值也应该取短路电流峰值的2.74倍左右为最佳。若断路器分闸时间在 60 毫秒以上，则不需要额外进行不对称情况下的开断试验。针对发电机断路器与普通断路器性能试验对比，则应该充分参考三相试验情况下，首开相或者单相的试验环境。此外，即使开断与关合时，电流数值一样，则断路器的开关应该拥有较高的直流分量与瞬态恢复电压为基础对比常规性断路器，发电机出口断路器的相关要求更为严格。发电机短路试验如图5所示。

（2）发电机源短路的开断试验

      发电机源短路的开断试验条件则更为苛刻，该试验存在更高的直流分量。遵循ANSI/IEEEC37-013标准规定∶此值为DC%=130%。针对这一试验考核，通用型断路器则是不合适的。

      图6是实例的计算短路电流电路图，C0~G4为等值发电机，G为系统电源，QF为G2发电机出口的厂用分支断路器，K为待求短路点。按计算曲线法将图3所标电抗值化简为各电源到短路点K的转移电抗，并按各相应的电源的容量进行归算，得到各电源对短路点的计算电抗，并以此查计算曲线得出短路电流周期分量标么值，最后再把标么值换算为有名值，求出各电源提供的短路电流周期分量有效值。

（3）失步开断与关合试验

      发电机型断路器关合试验和失步开断是在合、分条件进行的。首相开断和外施电压工频恢复电压为1.22 倍发电机最高电压直流分量（DC%）分<20%和≥50%两种条件开断电流为 50%的交流分量有效值；瞬态恢复电压上升率为3.3kV/μs；瞬态恢复电压峰值为2.5倍发电机最高电压；关合试验按2.5倍对称开断电流交流分量值（峰值）与开断试验合并进行。通用型断路器的关合试验以及合、分失步开断，外施电压和首相开断工频恢复电压为1.44 倍系统最高电压开瞬态恢复电压峰值为2.55倍额定工作电压断电流为25%的交流分量有效值∶直流分量（DC%）<20%；瞬态恢复电压上升为0.26kV/μs而对关合电流不作规定。

 

图5  发电机短路特性试验接线图

图6  计算发电机短路电流电路图

 

总结：

      GCB是工作于发电机出口保护用的断路器，完全是针对发电机出口回路的特殊技术要求而产生。因为位于发电机和连接其余电力系统的大功率升压变压器之间，这就造成了回路开断条件尤其严格。与普通配电型断路器相比，具有极强的开断短路电流直流分量的能力和失步开断的能力，极高的机械和电气操作寿命。本文通过对发电机断路器的特点和技术参数进行分析，阐述了发电机断路器选型原则。作为及其重要的柴油发电机出口场合，产品选型必须极其谨慎，否则，一旦出现柴油发电机组停机现象，损失将不可估量。

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