知识点：发电机三相短路试验

随着我国电站的总装机容量不断扩大，发电机的单机容量亦越来越大。为此，在发电机组出口端必须安装大容量的发电机断路器来加以保护。由于发电机断路器在电力系统中的特殊位置，当发电机断路器开断短路故障电流后，断口间必须承受很高的上升率很高、时延很短的暂态恢复电压（TRV）。此外，发电机断路器还需要具备开断具有延迟过零特征的短路电流能力。

通过在大容量试验站进行短路电流的开断、关合型式试验，是验证发电机断路器是否具备要求的短路开断和关合能力的唯一有效途径，是发电机断路器研究、开发过程中的必备的关键性环节。目前，国内实验室直接法的试验能力只能达到15kV、80kA。但国内开关厂家已经研制出了额定电压24kV、额定短路开断电流160kA的大容量发电机断路器。目前国内正在研制额定电压30kV、额定短路开断电流210kA的发电机断路器。

在发电机断路器型式试验标准方面，国家标准GB/T 14824-2008《高压交流发电机断路器》在标准的制定方面延续了美国标准IEEEStd C37.013和国家标准GB/T1984-2003的内容和特点，而这些标准在试验程序和试验方式方面已经远远落后于当前的实际工况的需求，国际标准IEC/IEEE62271-37-013：2014（草案版）是目前国际上最新的发电机断路器标准。本次【技术专栏】系列文章拟在研读新版的IEC标准的基础上，对发电机断路器的短路故障、短路试验程序及试验原理进行分析与讨论。

1 发电机断路器的短路故障及其特征分析

图1 电站线路及故障示意图

Figure 1Power station and fault schematic diagram

如图1所示，发电机断路器安装在电站的发电机出口和升压变压器之间，用于发电机的控制和保护。正因为发电机断路器在电站中特殊的安装位置和及其功能，决定了发电机断路器和输配电系统中的高压断路器在短路故障开断和关合能力方面的不同。在图1中，根据不同的短路故障位置，发电机断路器的主要短路故障有：

1）系统源故障（图1中的位置a）。由于从故障点到电力系统的等效阻抗比较小，因此系统源故障的特点是短路电流大。此外，升压变压器的对地电容很小，发电机断路器开断系统源短路故障电流后，断口间要承很高的TRV（暂态恢复电压）上升率。特别是假设输配电系统为无限大功率电源（系统的阻抗为零）时，变压器上的压降就等于系统电压，在这种情况下TRV的上升率和峰值达到最大值。因此，发电机断路器开断系统源故障的TRV特征和输配电系统中高压断路器开断短路故障的TRV特征相反，在输配电系统中短路电流增大时，系统的等效电路呈过阻尼振荡电路，TRV的上升率和峰值将降低；反之，短路电流减小时，系统的等效电路呈欠阻尼振荡电路，TRV的上升率和峰值将增大。

2）发电机源故障（图1中的位置b，c）。发电机源故障的对称短路电流远小于上述的系统源故障的短路电流，这是由于发电机系统的超瞬态和瞬态电抗值要远大于系统源故障的等效阻抗值。但是发电机源故障短路电流的直流分量（非周期分量）可能比交流分量大，这将会导致短路电流延迟过零和发电机断路器的燃弧时间延长。

故障前发电机在欠励磁状态下以超前功率因数运行时，会出现最大非对称度，发电机源短路电流的对称分量也低于要求的对称短路电流，对大量的发电机运行结果分析表明，最大的非对称度为130%，此时短路电流的交流分量仅为要求值得74%。相反，故障前发电机在带负载的滞后功率因数运行时，非对称度将较低，短路电流的交流分量将较高。

由于非对称分量较大，因此电流过零开断时，电源电压比较低（甚至为零），故发电机源故障的TRV上升率和峰值都较小。

3）失步故障。当发电机和电力系统之间失去或者缺乏同步时，使整个系统失去稳定而引起系统异常，称之为失步故障。在失步角为180°时，发电机与系统全反相，失步短路电流将超过发电机端短路电流，这种情况对于发电机断路器是绝不允许出现的。因此，通过自动同步或者快速切除电力系统中的短路故障来避免这种情况的发生。IEC与IEEE发电机断路器标准中规定，发电机断路器开断失步故障的最大失步角为90°，相比较于输配电系统中的高压断路器开断失步故障，其特征为短路电流大、TRV上升率高。

2 发电机断路器短路试验

IEC/IEEE62271-37-013：2014中规定发电机断路器的额定操作方式为CO－30min－CO，由于其短路试验方式、操作次数较输配电系统中高压断路器的要少，在进行发电机断路器的短路试验时，需要根据实际工况，考核到断路器在最严酷的情况下的开断能力。在确定了发电机断路器的短路电流的情况下，能够反映其开断能力的主要特征为短路开断试验方式，以及相应的燃弧时间和TRV。

在实际工况中发电机断路器开断的短路故障系统为中性点不接地的三相系统，由于试验站的容量有限，不能够满足大容量发电机断路器的三相短路开断试验。目前通用的方法是用“分步法”的单相试验来替代三相试验。下面将依据IEC/IEEE62271-37-013：2014中6.102.10给出的最严酷的开断条件，对短路开断试验方式、燃弧时间分别做出说明和解释。

2.1  系统源故障、失步故障的短路开断、关合试验

1）对称短路电流开断试验（T100s、OP1）

发电机断路器在开断三相对称短路故障电流时，当首开极燃弧时间分别在最短和最长时，对发电机断路器的考核是最严格的。当燃弧时间最短时，由于开距较小，TRV上升很高；当燃弧时间最长时，电弧能量达到最大，这两个方面都很容易导致开断失败。相比较而言，当首开极燃弧时间达到最长时，

对发电机断路器的考核是最严格的。因此，IEC/IEEE62271-37-013：2014在确定替代的单相试验考核发电机断路器开断性能时，仅考虑首开极的燃弧时间到达最长时，来分别考核三相系统中首开极和晚开极的燃弧时间和TRV。

两次合分操作中的其中一次需要考核首开极在最长燃弧时间情况下的开断能力，且TRV满足首开极的要求，要求的燃弧时间tarcmax1和TRV峰值uc如表1所示。

两次合分操作中的其中一次需要考核晚开极在最长燃弧时间情况下的开断能力，且TRV满足晚开极的要求，要求的燃弧时间tarcmax2和TRV峰值uc如表1所示。

表1 对称电流开断燃弧时间和TRV的规定

Tab.1  Arcing time and TRV parameters specified value for symmetrical currentinterruption

发电机断路器在开断三相非对称短路故障电流时，由于短路电流直流分量的存在，考核断路器的严酷程度会随着触头分离时刻的不同有很大的变化。根据实际的工况，发电机断路器开断首开极大半波和延长大半波且两种情况下燃弧时间达到最长时的非对称短路电流对其考核是最为严酷的。因此，在确定替代的单相试验考核发电机断路器开断非对称短路电流试验时，需要考核到发电机断路器的首开极和晚开极分别在最后电流半波开断具有要求的非对称度的短路电流能力，及其相应的燃弧时间和TRV。下面分别以A相首开大半波、A相延长大半波为例，解释与说明IEC/IEEE62271-37-013：2014在非对称短路电流开断两次合分操作的试验程序及燃弧时间的确定方法。特别需要说明的是当考核相为A相时，A相短路电流具有满足标准要求最大非对称度，那么B、C两相具有满足标准要求的中等级的非对称度。

2）非对称短路电流开断试验（T100a、OP2）

A相首开大半波的试验程序及燃弧时间的确定方法如图2所示，由于A相为考核的首开极最大非对称度，所以需要根据B相（中等级非对称度）的最短燃弧时间tarcmin1来确定A相首开大半波的最长燃弧时间。如图2所示，在B相的最短燃弧时间的基础上，通过触头分离相对于电流波形增加任一额外时延后（图中虚线所在位置），以此来获得A相最长的燃弧时间tarcmax1。

图2 首开大半波示意图

Figure 2 Major loop with first clearing pole

图中表示A相在最长燃弧时间下的过零点与B相在最短燃弧时间下过零点的时间间隔。tarcmax1与tarcmin1、所满足的关系见表2。

表2 非对称电流开断燃弧时间和TRV的规定

Tab.2  Arcing time and TRV parameters specified value for asymmetricalcurrent interruption

A相延长大半波的试验程序及燃弧时间的确定方法如图3所示，由于A相为考核的晚开极最大非对称度，所以需要根据C相（中等级非对称度）在小半波末开断来获得最短燃弧时间tarcmin2来确定A相延长大半波的最长燃弧时间。如图2所示，在C相的最短燃弧时间的基础上，通过触头分离相对于电流波形增加任一额外时延da后（图中虚线所在位置），导致B相（中等级非对称度）成为首开极，最终获得A相的最长的燃弧时间tarcmax2。图中表示A相在最长燃弧时间下的过零点与C相在最短燃弧时间下过零点的时间间隔。tarcmax2与tarcmin2、所满足的关系见表2。

图3 延长大半波示意图

Figure 3  Majorextended loop

综上所述，两次合分操作中的其中一次需要考核首开极灭弧时刻出现在大半波末且具有最长的燃弧时间，同时满足要求的最大非对称判据及与之相应的首开极TRV条件，要求的燃弧时间tarcmax1和TRV峰值uc如表2所示。另外一次需要考核晚开极灭弧时刻出现在大半波末且具有最长的燃弧时间，同时满足要求的最大非对称判据及与之相应的晚开极TRV条件，要求的燃弧时间tarcmax2和TRV峰值uc如表2所示。

3）短路关合电流试验

发电机断路器关合额定短路关合电流的能力需要考核到两种极端的情况：

a)   在电压波的零点处关合，无预击穿，产生一个完整的非对称短路电流，金短时间要求达到250ms以上。对于直流时间常数为133ms，关合电流的峰值为2.74倍的额定对称短路开断电流。

b)   在电压波的峰值处关合，产生一个对称的短路电流以及最长的预击穿电弧。考虑到试验站短路容量的限制，当预击穿时间小于十分之一周波时（通过在额定电压、小电流下确定），允许在降低的电压（不低于50%的额定电压）下进行关合试验。 

2.2 发电机源故障的短路开断、关合试验

IEC/IEEE62271-37-013：2014（草案版）中规定发电机断路器开断、关合发电机源故障的能力有：

1）对称短路电流开断试验

发电机源故障的短路开断电流要比系统源的短路开断电流小很多，而且会随着发电机的超瞬态和瞬态时间常数衰减。因此，发电机源故障的对称电流开断能力低于系统源故障的对称电流开断能力，实际的试验过程中，发电机断路器通过系统源故障对称电流开断试验后，该试验方式可以通过计算来评估。

2）非对称短路电流开断试验

两次开断操作中的其中一次需要考核到最大非对称度，标准要求的最大的非对称度为130%，此时短路电流的交流分量为额定短路开断电流的74%。另外一次需要考核额定短路起始后交流分量衰减大于直流分量的工况，这种情况导致触头分离时刻直流分量将大于交流分量。标准要求的非对称度为110%，此时短路电流的交流分量为额定短路开断电流。

目前国内的容量试验站进行大容量发电机断路器的短路试验时，通过冲击发电机提供短路电流。由于冲击发电机容量有限，一方面希望尽量减小试验回路电抗来提高短路电流，另一方面希望增大试验回路电抗来增大直流回路时间常数，所以在电抗的选择上是矛盾的。因此要获得延迟电流零点的预期短路电流波形是很困难的，在验证发电机源故障开断延迟过零的非对称短路电流的能力是通过计算来实现的，是在预期电流的基础上考虑电弧电压的影响，来考核能否强迫短路电流在燃弧区间内过零开断。

3）短路关合电流试验

当实际工况中会出现发电机源故障的短路关合电流高于系统源故障时，要求进行短路关合试验，金短时间要求达到250ms以上。

3  发电机断路器合成试验回路设计与实施

由于大容量发电机断路器要求的短路试验容量很大，目前国际上均采用合成试验回路来考核发电机断路器的短路开断性能^[12-15]。合成试验回路可以分为电流引入回路和电压引入回路^[16-17]，XIHARI采用并联电流引入法的Weil合成试验回路，图2为大容量试验站发电机断路器试验原理图。

                   图4 短路开断、关合试验回路图

Fig.4 Test circuit of short-circuit test

试验时由发电机提供要求的短路开断、关合电流；主电容Cs（预先充有计算好的试验所需电能量）、Ls及TRV调频装置(R1、C1、Cd)向试品提供开断后断口间的恢复电压。

图5给出了24kV/160kA的发电机断路器开断系统源故障T100s、T100a短路电流成功开断的典型的示波图。图6给出了24kV/160kA的发电机断路器开断失步故障OP1、OP2短路电流成功开断的典型的示波图。

图5、6中各参量符号代表的物理意义：Icoil为线圈电流，I为电流源回路电流，Ih为电压源回路电流， Ucs为电流源电压，Ur为断口恢复电压，Tr为行程曲线，Tro为分闸时刻，Uarc为电弧电压。图中1pu对应的值为右下角黑色的标尺高度。  

    

  （a） T100a首开极长燃弧                           （b） T100a晚开极长燃弧

 

（c）T100s晚开极长燃弧

  图5 系统源故障开断试验典型示波图

Fig.5  Typical test results oscillogram of system-source fault   （a） OP1首开极长燃弧                            （b） OP1晚开极长燃弧

 

（c） OP2晚开极长燃弧

图6 失步故障开断试验典型示波图

Fig.6  Typical test results oscillogram of out-of-phase fault

4 结论

本文在研究国际标准IEC/IEEE 62271-37-013：2014（草案版）的基础上，分析与讨论了发电机断路器系统源短路故障、发电机源短路故障、失步故障的原理及其特征，以及与输配电系统用的高压交流断路器短路故障的区别，并进一步分析了三种故障的短路开断、关合试验程序及参数要求。最后，介绍了XIHARI大容量试验站的发电机断路器合成试验回路及其工作原理。

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