摘要：論述了真空斷路器" title="真空斷路器">真空斷路器用在中小型水電站發電機出口的可行性，同時也指出不容忽視的過電壓" title="過電壓">過電壓現象和直流分量開斷能力問題。通過對過電壓現象產生機理和發電機出口短路電流延時過零點現象的分析，歸納總結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或對原有少油GCB進行設備更新。那么，如何在設計中合理選用GCB就成為設計人員經常遇見的問題。本文通過對真空斷路器用做GCB時出現的現象進行分析，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，結合中小型水電站的具體特點，真空斷路器的優點如下：

（1）水電站大多在系統中擔任調峰、調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構簡單且具有良好的密封性、無污染、易維護，因此可節省大量運行維護費用。

3真空斷路器用做GCB出現的主要問題

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條件。從技術性能上分析，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" title="操作過電壓">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，又會出現出現高頻電流過零點，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”，產生4倍以上的過電壓，最終對電機主絕緣和匝間絕緣產生較嚴重的危害。

（2）支流分量開斷能力問題：如文獻［1］所述，發電機提供的短路電流具有較高的直流分量，可能產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性能。直流分量的衰減取決于非周期分量時間常數" title="時間常數">時間常數Ta。通常情況下，發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）在斷路器側加裝氧化鋅避雷器（MOA）。

（3）在斷路器側加裝阻—容吸收器" title="吸收器">吸收器（R－C吸收器）。

（4）采用MOA和R－C并聯使用的方法。

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恢復電壓的上升陡度的效果如何呢？文獻［2］中有關發電機出口真空斷路器抑制瞬態恢復電壓EMTP仿真計算結果如下：

不加R－C吸收裝置，瞬態恢復電壓幅值49．3kV，斷口瞬態恢復電壓陡度4．042kV／μs；

加R－C吸收裝置，瞬態恢復電壓幅值18．9kV，斷口瞬態恢復電壓陡度0．472kV／μs。

從試驗結果可以看出，如果不采用R－C吸收裝置，則斷口瞬態恢復電壓陡度值為4．042kV／μs，不滿足GCB開斷端部短路時的系統源預期瞬態恢復電壓上升率為3．5kV／μs（對于發電機變壓器額定容量≤100MVA）的技術要求。而采用R－C吸收裝置，則瞬態恢復電壓上升率降低至 0．472kV／μs?？梢姴捎肦－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）合理選擇發電機短路電流直流分量衰減時間常數Ta。

真空斷路器開斷容量大，但發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性能，則在斷路器的固有分閘時間內，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只與發電機本身結構參數決定，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電機斷路器的性能優勢是顯而易見的。

參考文獻：
　　
［1］王漢明．對真空斷路器用做發電機斷路器的探討［C］．2000年電氣學術交流會論文集．

［2］張萬榮．發電機出口真空斷路器瞬態恢復電壓的研究［J］．高壓電器，2000，（4）．