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真空斷路器用作發電機出口斷路器的探討
發表日期:2017-05-09

摘 要:以Siemens公司生產的3AH真空斷路器為例,對真空斷路器的技術特點進行總結,并對其用作發電機出口斷路器的情況進行分析,認為其具有高可靠性、免維護、長壽命、經濟性好等優點,技術上能夠滿足作為發電機出口斷路器的要求,值得推廣用作發電機出口斷路器。

關鍵詞:真空斷路器;發電機斷路器;技術特點

    早期的真空斷路器由于存在著截流值高,造成過電壓高,容易擊穿絕緣介質的致命缺點,較少被用作發電機出口斷路器。世界上第一臺發電機出口斷路器是由ABB公司生產的空氣斷路器,隨后出現了SF6斷路器。在我國,SF6發電機出口斷路器的引入也比較早,在水電廠及中小型火電廠應用的數量比較多。但是,20世紀70年代以來,隨著對真空電弧的研究及觸頭材料技術的發展,Cu-Cr合金開始用于觸頭的制造材料,觸頭的形狀也從早期的簡單的圓柱型改進為螺旋的帶有橫齒的形狀,這些改進將真空斷路器的截流值從原來的8~12 A降低到平均3 A,最大為5 A的水平。技術和材料的改進使真空斷路器用作發電機出口斷路器的主要障礙逐步被消除,而同時使它的結構簡單、可靠性高、維護量小及壽命長等優點日益顯現出來。真空斷路器被越來越廣泛地用作發電機出口斷路器。現以Sie mens公司生產的3AH真空斷路器為例,對真空斷路器的主要特點進行簡要分析。


1 真空斷路器的技術特點
1.1 滅弧原理及基本結構
  真空斷路器的滅弧原理是在真空泡內觸頭拉開時,產生電弧,電弧內攜帶了蒸發的金屬氣體,這些氣體是從觸頭表面產生的,最后還會冷卻在觸頭表面和封閉罩的內表面。當電流過零點時,原始的真空狀態迅速恢復,間隙處的介電強度迅速增加,電路被切斷。
  由于采用真空作為滅弧介質,斷路器的結構比較簡單,整體部件少。Siemens公司的3 AH(6 300 A,50 kA)真空斷路器組裝在一個類似于高壓開關柜的框架內,整體重量輕。操作結構為彈簧操作機構,操作的動應力小;安裝在門上,對土建基礎要求簡單,只需預埋幾個扁鐵供安裝時焊接框架即可,安裝時間短。 


1.2 可靠性及使用壽命
  真空斷路器的真空泡在正常情況下,在整個壽命期內都是密封的,所以可以保證很高的真空度,在斷路器操作過后,真空度也不會降低,這就保證了額定電流和額定開斷電流值不會降低,有效地提高了斷路器的可靠性。在產生電弧時,由于會產生金屬氣體,斷路器的觸頭會有一些磨損,但是這種磨損程度很小,完全在可控范圍內,在要求的機械操作10 000次壽命期內是徹底免維護的。因此,可以說真空斷路器正常的使用壽命可以達到幾百年,超過ANSI,IEC標準要求的使用壽命。
1.3 對環境的影響
  真空斷路器產生的是少量的純金屬氣體,Cu,Cr氣體,而且基本被觸頭重新捕捉,即使在最惡劣的情況下,即真空泡破裂,釋放出的氣體對環境的影響也小得可以忽略不計。
2 用作發電機出口斷路器的分析
  發電機出口短路時,短路電流中含有很高的直流分量,直流分量是依定子繞組的時間常數τa=Xd 〃/2πfRa衰減的(Xd〃為發電機次暫態電抗,f為發電機頻率,Ra為定子繞組的電阻),短路電流可能具有100 ms或更長的電流零點。故障后,觸頭分離產生的電弧電阻進一步減小了直流分量的時間常數,使得直流分量衰減得更快,從而產生電流過零點。根據Siemens公司提供的實例計算,其真空斷路器可以滿足切斷電流的要求。
  良好的滅弧介質和觸頭材料使得真空斷路器能滿足IEEE要求的暫態恢復電壓速率。IEEE標準規定的發電機源故障的暫態恢復電壓參數為1.8kV/μs(發電機額定容量為101~400 MVA)。Siemens公司真空斷路器的暫態恢復電壓為4.5kV/μs,在開斷容量為50 k A時可開斷80%的直流分量。
3 結束語
  綜合以上特點,真空斷路器具有高可靠性、免維護、長壽命等優點,技術上能夠滿足作為發電機出口斷路器的要求。此外,由于整體結構的簡單,真空斷路器的價格在相同的技術參數下,相比SF6斷路器便宜10%左右。因此,真空斷路器值得在水電廠和需要安裝發電機出口斷路器的中小型火電廠中推廣使用。


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