准确判断故障减少停电时间
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刘国宏孔令忠河北省康保供电分公司(076650)
在现有电力生产技术条件下，如何减少故障停电时间，如何快速查找故障点，缩小故障范围，一直是我们供电企业研究探讨的课题。我们尝试从总结分析农村10kV电网故障时的电压、功率变化情况入手，准确地进行了农村电网的接地等故障性质判断，减少了故障停电时间，收到了较好的效果。
1 农村电网现状及电网电流特性
(1) 农村电网现状：
①10kV电网是农村供电的主要电网，一个35kV变电所都要有多路10kV线路向外供电，线路长、供电面积大，一条线路最长达百公里，并采用中性点不接地方式。
②10kV电网分散在交通不便的山区地带、丘陵地带较多，加上地势复杂，气候多变恶劣，造成接地故障较多，又不宜查找。
③农村10kV电网接地电流往往均大于20A，而10kV电网由于接地等故障引起的停电约占全部停电时间的80%以上。
(2) 农村10kV电网电流特性
①由于在不接地系统中，单相接地故障电流很小，所以过电流继电器不能用于故障检测；而电压继电器可以检查出因故障而产生的电压不平衡，但是不能有选择性确定系统中的故障点。因接地故障所造成的不平衡相压及零序电压在整个系统中基本是一样的，因此不可能有选择地分隔故障点，各种继电器保护方案只用于报警。
②在多路10kV出线系统中，有一条出线发生单相接地时，电容电流的分布情形见图1，当在D点发生接地故障时，非故障线路中流过的电容电流为该线路正常情况下三相对地电容电流之和。D点流过的电容电流为所有其它非故障线路三相对地电容电流之总和。D点流过的电容电流方向与非故障相电容电流方向相反。
2 存在的问题
(1) 接地电流对电网安全运行影响较大。一般情况，农村10kV电网建设发展初期规模小，辐射状供电电网对地电容电流小于10A，发生单相接地故障时，故障点的电弧能自熄，不会产生危害性内过电压，允许有一段时间去查找故障，也就保证了对用户供电的连续性。当电网扩大到一定规模，电网对地电容电流大于10A时，发生单相接地故障，常激发出高达3～4 倍Ux的弧光，接地过电压或铁磁谐振过电压，甚至二者复合的更高水平过电压，直接威胁电网及设备的安全运行。
近几年来，农村10kV电网发展很快，各种电缆用料也越来越多，电网电容成倍增加。假如在上图D点有接地故障时，经过故障点要流回全系统B相和C相对地电容电流的总和。即：
ID=(IB1+IC1)+(IB2+IC2)+(IB3+IC3)+(IBf+ICf)
其方向由线路指向母线，其ID的有效值为：
ID＝3ωEA(Co1+Co2+Co3+Cof)＝3ωEACo∑
式中Co∑——全系统每相对地电容的总和
现以康保两座35kV变电所为例说明：土城子变电所，共4路出线，线路总长170km；张纪变电所，共5路出线，线路总长240km。
若10kV线路对地电容按每公里每相0.048μf，变电所母线对地电容按每相0.05μf计算，土城子变电所10kV电网的接地电流为44A；张纪变电所10kV电网的接地电流为62A。
根据中性点不接地电网的电压特性，规程规定：发生单相接地故障时可继续向电网供电2h。而实际情况，由于两站的接地电流均大于20A，一有接地故障就得及时中断供电、处理故障，否则就会危及电网及设备的安全，不能保持供电的连续性。同时，对接地和其它故障的性质难以做出正确判断，影响故障点的查找。
(2) 对接地等故障性质不能及时准确地做出判断。农村10kV电网常见接地等故障有：一相金属接地、一相非金属接地、由开关送电时发接地信号、一相断相、两相断相等。由于线路对地电容电流较大，农村10kV电网一但发生有以上故障时，在35kV变压所除了表现出电压波动外，还有一个共同的特征，就是都要发出接地信号。正是由于有了上述相似的表现特征，因而在故障的判断上容易造成混淆，导致对故障的性质不能做出准确判断。
3 问题的解决
搞好一线职工的业务技术培训。在现有电力技术条件下，通过对有关人员进行业务技术培训，使他们正确认识接地电流对电网安全的影响程度，进而能够在日常工作中对接地等故障常表现出的不正常现象及其特征加以区分，而不是盲目地、简单地进行判断。
准确判断接地及其它故障性质。经过在理论上深入探讨、在实际工作中充分验证，我们总结了接地及其它故障电压特征以及相应的结果判断，为及时、准确地判断接地和其它故障提供了方便。
①一相金属接地时，当相电压特征是一相电压为零，其他两相电压升高到线电压，结果判断为：一相金属性接地后正常的电压变化，电压为零相是接地相。
当相电压特征是一相电压低，但不为零，两相电压升高，超过线电压；表针打到头(不超过3倍相电压)或两相电压低但不为零，一相电压高，表针打到表头，结果判断为：有基波谐振，产生谐振过电压，电压最低相为接地相。
当相电压特征是三相电压依次轮流升高，并超过线电压(不超过两倍相电压)，表针打到头，三相电压表指针在相同范围内低频摆动，结果判断为：有分频谐振，产生谐振过电压。
当相电压特征是三相电压同时升高，有的相超过线电压，表针打到头，结果判断为：高频过电压，发生的机会很少。
②一相非金属(经过渡电阻)接地时，相电压特征是一相(或两相)电压低，但不为零；另两相(或一相)电压高，近似线电压，随着过渡电阻的变化，各相电压发生较大幅度的波动，有时超过线电压。非接地的两相电压一般不相等。结果判断为：随着电阻变化，产生电压波动时带有接地过电压，这种情况往往是最高电压相的下一相(按正相序排列)为接地故障相。
③由断路器送电发出接地信号时，相电压特征是三相电压瞬间波动，瞬间发接地信号。电压瞬间变化情况和一相断相或两相断相的电压情况相同。结果判断为：由于断路器三相接触不同期而造成的三相线路不能同时带电，使中性点产生位移。
④一相断相，如一相线路断线或线路跌落断路器掉闸时，相电压特征是三相电压不平衡，有时发出接地信号。断线相电压和中性点电压升高，非断线两相电压相等且降低，供电功率减少。结果判断为：三相对地电容电流不对称，通过非断相的两相电压相等和供电功率明显减少这两个特点，来区别接地故障和线路断相故障。
⑤两相断相，如两相线路断线或线路跌落熔断器两相掉闸时，相电压特征是三相电压不平衡，有时发出接地信号。非断线相电压降低，断线两相电压升高，当两相断线较长时，中性点电压也会使交流监视装置发出接地信号。供电功率明显减少。结果判断为：由于三相对地电容电流不对称造成。这种两相断相的电压情况与金属性接地的电压情况相同。
还可通过对35kV变电所中性点接地方式或缩小变电所供电范围的改造，来减少农村10kV电网的接地电流，提高电网的可靠性。
(收稿日期：2000—05—28)
本栏编辑向月恒)
发电机断路器在中型水电站中的应用与探讨
刘晓梅河南郑州市黄委会勘测规划设计研究院(450003)
刘晓兰河南郑州市郑州工业大学电气信息工程学院(450002)
摘要中小容量的发电机断路器在国内水电站中的应用研究目前尚属起步阶段，是新的电气设计课题，本文以西霞院电气主接线设计为例，对中型水电站发电机出口装设非普通配电型发电机断路器的必要性进行了探讨。同时，对国产设备的发展提出了一些设想。
关键词中型水电站发电机断路器应用探讨
1 引言
发电机断路器(以下简称GCB)，作为在最苛刻开断条件下的大电流、大容量、价格昂贵的中压断路器，已在大型水电站中得到广泛，但在中型水电站中，过去由于普遍存在认识不足的问题，再加上场地布置和经济方面的考虑，发电机出口采取装设GCB的设计极为少见，大多以普通配电型断路器替代，其结果给机组长期安全运行造成了潜在的危害。2000年随着中小容量GCB制造技术的发展，GCB在中型水电站中的应用与研究已逐步提到议事日程。我院设计的小浪底水利枢纽西霞院反调节水库电站，在中型水电站电气主接线设计方面具有典型性。本文以此为例，对中型水电站发电机出口装设GCB的必要性进行了探讨，并对中小容量GCB在国内的应用和发展谈一些个人的见解。
2 西霞院水电站电气主接线设计
西霞院水电站装设6台轴流式水轮发电机组，单机容量为35MW，总装机容量为210MW，距洛阳地区负荷中心仅33km，在系统中的作用主要是在满足反调节发电的基础上参与系统调峰运行。电站以220kV电压等级接入系统，220kV出线2回。借鉴国内同等类型水电站的设计经验，经过多方案的综合比较，最终推荐发—变组合采用二机一变扩大单元接线，220kV升压侧采用双母线接线的方案，西霞院水电站电气主接线方案的主接线简图见图1。
3 发电机出口装设GCB的问题探讨
3.1 发电机出口装设断路器的技术条件
发电机—变压器组合采用扩大单元接线，每台发电机出口必须加装断路器。西霞院水电站35MW发电机出口回路持续工作电流为2358A，三相短路电流计算结果为36.4kA。
根据35MW机组对装设在发电机出口断路器的主要要求，现将GCB与普通配电型断路器的有关技术条件比较见表1。
3.2 GCB和普通配电型断路器的性能比较
3.2.1 GCB是发电机出口专用断路器，安全是针对发电机出口回路的特殊技术要求而产生，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，其三相联动操作机构能提供安全的同步操作，应用GCB还可以减小升压变压器的故障平均恢复时间和发电机的故障平均恢复时间，使电厂的可利用率增加，从而提高电厂的效益，尤其是GCB开断发电机出口延迟过零短路电流的能力，是普通配电型断路器所不具备的。
3.2.2 由于本电站发电机电压设备均集中布置在主厂房下游侧狭长的副厂房内，场地紧张，希望出口断路器体积小，并能与其他发电机电压成套柜并排布置。目前，国产10kV真空断路器柜已具有开断短路电流交流分量有效值50kA的分断能力，但这种普通配电断路器并非针对发电机回路的特点而设计，对短路电流直流分量的分断能力很低。
每一种交流断路器的开断都需要有一个电流过零点，电弧会在电流过零点自动地分开。在某些条件下，来自发电机的短路电流可能具有100ms或更长的延时电流零点。在发电机空载状态下，如果短路发生在电压最低状态，那么就会出现具有直流分量的非对称短路电流。尤其是在故障前，当发电机在欠砺磁状态下且具有超前功率因数时出现最高非对称值。在此条件下，短路电流的直流分量将高于对称分量，并一直保持到延时电流零点。图2为发电机源馈电故障时短路电流的计算实例。
从图2可以看出，短路电流的交流分量和直流分量的衰减规律不同，交流分量随着发电机短路次暂态和暂态时间常数Td〃、Td＇，Tq〃、Tq＇按指数递减，直流分量随着短路时间常数Ta=Xd〃/(2πfRa)，(式中：Xd〃为直轴次暂态电抗；Ra为电枢电阻)按指数规律衰减。根据发电机不同尺寸和设计结构，这些时间常数值变化很大，当短路电流的交流分量比直流分量衰减得快时，在某段时间内就产生了延时电流零点。小容量发电机因电感与电阻的比值小，短路时间常数小，直流分量衰减很快，短路一般经数十毫秒，即通过零点，灭弧较易。而35MW发电机短路时间常数Ta较大，超过150ms，直流分量衰减慢，短路电流有经数百毫秒也不通过零点的情况。若发电机出口选用常规配电断路器，断路器动作切断短路故障时会产生异常过电压，灭弧不易。而需选用GCB，利用断路器触头分离产生很高的电弧电压，来增大与Ra相串联的电弧电阻，使短路电流直流分量快速衰减，从而强迫过零。也就是说，只有GCB才能满足不过零时切断短路电流，而不致产生危险的过电压。
3.2.3 GCB除了适用于开断不过零的电流外，还具有极高的绝缘水平、极强的失步开断能力、开断小电感和小电容电流的能力等，其保护发电机和主变压器的功效是普通配电型断路器所不可取代的。近几年来已有一些小水电机组相继选用了成套的普通配电型真空断路器柜替代作GCB用，虽然这些用户装设了过电压保护装置(有些用户甚至仅在真空断路器的两侧配置了氧化锌避雷器)，但从长期看却存在着隐患。一是新机组刚投运时绝缘水平相对较高，绝缘尚能配合，而机组绝缘水平随着运行时间增加在逐步下降，绝缘配合就成了问题；二是普通配电型断路器的性能毕竟与发电机出口专用断路器的性能要求相差较大，难以胜任苛刻的使用条件，故存在着随机性损坏机组的可能和不安全因素。
综上所述，西霞院水电站发电机容量虽然不大，但发电机出口加装GCB而非常规配电断路器，在技术上是极其必要的。
3.3 中小容量GCB在国内的应用
大容量的GCB在国内外大型电站中已得到广泛应用，其中以瑞士ABB、法国阿尔斯通、日本三菱的SF6型和德国西门子的真空型最具有代表性，国内也已有沈高的LN-18型产品。对于中小容量的GCB，真空型产品因价格低廉、结构简单、维护容易、体积小而占有一定的优势，如德国西门子的3AF2288真空型GCB，电压17.5kV、额定电流4000A、额定开断电流63kA、额定峰值耐受电流160kA，在尺寸和价格上都与普通配电型断路器差不多，只是与SF6型GCB相比，其缺点是需另配备过电压保护装置，开断容量及载流量受到限制。据了解，目前国内已具有开发先进水平新产品的实力，希望能早日研制出价廉质优的国产中小容量的GCB填补空白，这种产品的尺寸应与通常的中压柜相仿，并能组合入成套柜中，以解决中型水电站地下式厂房电气设备布置的难题。
4 结论
4.1 中型水电站发电机——变压器组合若采用扩大单元接线，每台发电机出口必须加装断路器。
4.2 中型水电站发电机出口虽然短路电流不太大，例如西霞院35MW发电机组出口三相短路电流计算结果仅为36.4kA，但因其所处位置的重要性和对断路器的特殊要求，有装设GCB的必要性。国内一些中小水电机组选择普通配电型断路器替代GCB的作法，给机组长期安全运行埋下了隐患。
4.3 希望能早日研制出质优价廉的国产中小容量的GCB成套柜，以适应中型水电站发电机电压设备选型和布置的需要。
(注：本文获优秀论文二等奖)