CN105634007B - 一种发电机出口配电方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发电机出口配电方法，供电负荷、厂用电负荷、阻容吸收装置和发电机依次并联到电网系统的低压母线上，厂用电负荷另外并联备用电源；并设发电机出口配电断路器QF₁、联络线断路器QF₂、厂用电受电断路器QF₃和厂用备用电源断路器QF₄；QF₁、QF₂、QF₃、QF₄同侧设置，且均为普通配电断路器；QF₁、QF₂分别连接微机继电保护装置，QF₃另外连接快切装置；当发电机或联络线发生故障时，QF₁、QF₂和QF₃同时断开，QF4闭合为厂用电负荷持续提供电源；此时QF1、QF2、QF3断路器断口均为一侧是电源侧。本发明实现了采用普通配电断路器代替发电机出口专用断路器完成发电机出口配电的目的；可大幅度减少投资和占地面积，且工作性能可靠，便于维护与更换。

Description

一种发电机出口配电方法

技术领域

本发明涉及冶金企业余能发电机配电技术领域，尤其涉及一种用采用普通配电断路器代替发电机出口专用配电断路器的配电方法。

背景技术

目前普通配电断路器的直流分断能力，一般都超过了20％的国家标准试验值，可以开断中、小容量发电机组的出口处的短路电流，但承受瞬态过电压(TRV)的能力不足；因此，在工业生产中很多余能利用的中小型发电机系统普遍采用发电机出口专用断路器进行配电；普通配电断路器与发电机出口专用断路器的主要区别如表1所示：

表1发电机专用断路器与普通断路器预期瞬态恢复电压

由于发电机出口专用断路器存在造价高、占地面积大的缺点，因此并不适于在25MW以下的中小容量机组中使用。

发明内容

本发明提供了一种发电机出口配电方法，利用普通配电断路器的高直流分量开断能力，通过设置继电保护、主结线采用单母线分段结构，使配电系统形成“多断口断路器结构”，利用阻容吸收装置电容电压不能突变的特性，使瞬态恢复电压满足要求，从而实现采用普通配电断路器代替发电机出口专用断路器完成发电机出口配电的目的；可大幅度减少投资和占地面积，且工作性能可靠，便于维护与更换。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种发电机出口配电方法，适用于发电机容量≤25MW的中小型容量机组；包括如下步骤：

1)供电负荷、厂用电负荷、阻容吸收装置和发电机依次并联到电网系统的低压母线上，厂用电负荷另外并联备用电源；阻容吸收装置前的并联支路上设发电机出口配电断路器QF₁，厂用电负荷前的联络线上设有联络线断路器QF₂、厂用电负荷的并联支路上设厂用电受电断路器QF₃、备用电源与厂用电负荷的并联支路上设厂用备用电源断路器QF₄；QF₁、QF₂、QF₃、QF₄同侧设置，且均为普通配电断路器；

2)发电机出口配电断路器QF₁、联络线断路器QF₂分别连接微机继电保护装置，厂用电受电断路器QF₃另外连接快切装置；

3)当发电机或联络线发生故障时，发电机出口断路器QF₁、联络线断路器QF₂、厂用电受电断路器QF₃同时断开，其中QF₁、QF₂通过微机继电保护装置进行分断，QF3通过快切装置进行分断，厂用备用电源断路器QF4闭合，为厂用电负荷持续提供电源；此时QF1、QF2、QF3断路器断口均为一侧是电源侧，可防止断路器断断口双侧均为电源侧而引起的过电压陡度过高和耐受峰值电压不稳的问题。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)利用普通配电断路器的高直流分量开断能力，通过设置继电保护、主结线采用单母线分段结构，使配电系统形成“多断口断路器结构”，利用阻容吸收装置电容电压不能突变的特性，使瞬态恢复电压满足要求，从而实现采用普通配电断路器代替发电机出口专用断路器完成发电机出口配电的目的；

2)大大降低了工程一次性投资成本，减少了设备占地面积，使发电厂设备更加统一，便于维护与更换；

3)方案简单，易于实现，且工作性能可靠。

附图说明

图1是本发明实施例中发电机出口配电的一次系统图。

图2是本发明实施例中发电机出口配电的等效电力系统单线布置图。

图3是本发明实施例中发电机出口配电的电力系统结构图。

图4是本发明实施例中阻抗元件计算图。

图5是本发明实施例中阻抗计算简化图。

图6是本发明实施例中发电机运算曲线。(汽轮发电机)

图7是本发明所述普通配电断路器电路图。

图8是本发明所述发电机出口专用断路器电路图。

图9是本发明实施例中发电机出口配电的电网结构简图。

图10是本发明实施例中发电机出口配电的电路简图。

图11是本发明实施例增加阻容吸收装置后的电路简图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

本发明一种发电机出口配电方法，适用于发电机容量≤25MW的中小型容量机组；包括如下步骤：

1)供电负荷、厂用电负荷、阻容吸收装置和发电机依次并联到电网系统的低压母线上，厂用电负荷另外并联备用电源；阻容吸收装置前的并联支路上设发电机出口配电断路器QF₁，厂用电负荷前的联络线上设有联络线断路器QF₂、厂用电负荷的并联支路上设厂用电受电断路器QF₃、备用电源与厂用电负荷的并联支路上设厂用备用电源断路器QF₄；QF₁、QF₂、QF₃、QF₄同侧设置，且均为普通配电断路器；(如图11所示)

2)发电机出口配电断路器QF₁、联络线断路器QF₂分别连接微机继电保护装置，厂用电受电断路器QF₃另外连接快切装置；

3)当发电机或联络线发生故障时，发电机出口断路器QF₁、联络线断路器QF₂、厂用电受电断路器QF₃同时断开，其中QF₁、QF₂通过微机继电保护装置进行分断，QF3通过快切装置进行分断，厂用备用电源断路器QF4闭合，为厂用电负荷持续提供电源；此时QF1、QF2、QF3断路器断口均为一侧是电源侧，可防止断路器断断口双侧均为电源侧而引起的过电压陡度过高和耐受峰值电压不稳的问题。

本发明所述普通配电断路器为真空断路器或六氟化硫断路器；发电机出口专用断路器与普通配电断路器不同，其选择更加注重非周期分量开断能力和过电压承受能力，而中小容量的余能发电机组由于其工作性质主要是节能发电，多采用电压直配线的方式接入系统，其不具备电网调节能力。本发明利用高非周期分量配电断路器、阻容吸收装置和双断路器开断技术，使得普通配电断路器能够代替发电机出口专用断路器完成发电机出口配电。

通过本发明可以解决普通配电断路器开断发电机出口侧短路电流的问题，通过继电保护联动技术，实现电网结构优化，解决瞬态过电压(TRV)的问题，从而成功的实现以普通配电断路器代替发电机出口专用断路器，降低企业成本。

以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

【实施例】

新建一套干熄焦发电机组，发电机组额定容量为25MW，并网点选择在企业总降变电站的10kV侧。

总降变电站电压等级为66/10kV，设置有两台40MVA的主变，66kV侧与10kV侧的主结线型式均为单母线分段。总降变电站10kV系统的原有设备的热稳定要求为31.5kA，3s，动稳定为80kA。

总降变电站66kV系统最大运行方式下的短路容量为1263MVA，最小运行方式下的短路容量为413MVA。10kV馈出线保护定值最大为新回收线，设置两段过电流保护，过流Ⅱ段整定值4400A，延时0.5s，过流Ⅲ段整定值2200A，延时1s。10kV馈出线保护定值最小为双翻线，设置两段过电流保护，过流Ⅱ段整定值1100A，延时0.5s，过流Ⅲ段整定值360A，延时1s。

采用的普通配电断路器为VB2-PLUS-12型断路器，12kV，短时耐受电流40kA(4s)，峰值耐受电流125kA，固有分闸时时间65ms，燃弧时间15ms，DC％＝52。

阻容吸收装置采用FGB-10BF型；继电保护装置采用RCS-985RS/SS型。

本实施例中，发电机出口配电一次系统图如图1所示，等效的电力系统单线布置图如图2所示；

本实施例中，采用本发明所述发电机出口配电方法主要解决以下关键技术问题：

1、发电机出口处高非周期分量短路电流的开断问题；

当发电机出口处短路时，即在QF₁断路器的两侧发生短路，此时QF₁开断的短路电流是不一样的，当在靠近发电机侧短路时，QF1开断的是由电网系统提供的短路电流；当在靠近QF₂侧短路时，此时QF₁开断的是由发电机提供的短路电流。

本实施例中，发电机出口处短路电流约为21.08kA，电网系统提供约8.08kA，发电机提供的短路电流约为13kA,发电机提供的短路电流中非周期分量约占70％，所以需要选择断路器的开断能力为40kA，非周期量开断能力≥23％,详见下式：

式中：i_dc.maxG短路电流非周期分量，T_a时间常数(X/R)；

发电机出口短路电流占非周期分量的百分比：

本实施例中，所选用的配电断路器为GE公司的VB2-Plus型断路器，其开断能力为40kA,非周期开断能力为52％，不仅可以分断短路电流的周期分量，而且满足了开断非周期分量的能力。

2、解决过电压上升速率过快的问题；

发电机出口断路器分断后，在断路器断口两侧的发电机与系统都属于电源，普通配电断路器分断后由于其承受的过电压陡度(上升速率)低，约为0.24～0.57kV/μs，而此时断路器两侧出现的过电压陡度约为1.5～3.6kV/μs，为普通配电断路器承受能力的10～20倍，从而可使得断路器灭弧室电弧重燃，导致开断失败甚至爆炸。结合图1与图2分析，当发电机或联络线发生故障，发电机出口配电断路器QF₁、联络线断路器QF₂、厂用电受电断路器QF₃断开(QF₁、QF₂通过微机继电保护装置进行分断，QF₃通过快切装置进行分断)，厂用备用电源断路器QF₄闭合，为厂用电持续提供电源。此时断路器QF₁、QF₂、QF₃断口均为一侧是电源侧，从而解决了断路器断断口双侧均为电源侧而引起的过电压陡度过高的问题。

经实践检验，1#、4#干熄焦发电厂的两次短路故障都成功开断，说明通过本发明所述方法成功的解决了该技术难题，替代方案可行。

本实施例中短路电流的计算过程如下：

由图3所示电力系统结构图，可以得出短路电流计算时的阻抗元件计算图(见图4)。

1、各元件的阻抗标幺值计算如下：

1)等效电网：

式中：Ss-系统短路容量(MVA)；Sj-基准容量(MVA)；

2)变压器：

式中：Uk％-阻抗电压；Sn-变压器额定容量(MVA)；

3)电缆线路：

式中：Xl-线路电抗有名值；Uj-基准电压；

5)发电机：

式中：Xd”-发电机次暂态电抗；SG-发电机额定容量；

6)限流电抗器：

式中：X_k％-电抗率；U_n-电抗器额定电夺，I_n-电抗器额定电流；Ij-基准电流；

2、网络元件的标幺值计算如下：

1)电网电抗标幺值：

式中：S_smax系统最大运行方式下的短路容量(MVA)；

式中：S_smin系统最小运行方式下的短路容量(MVA)；

2)变压器电抗标幺值：

式中：Uk％阻抗电压；

3)电缆线路电抗标幺值：

单芯电缆采用品字形排列，单芯电缆的导体外径为23.3mm，而电缆外径为42mm，所以几何均距线芯的等效半径为D_j＝0.389d＝9.06mm，故单回品字形电缆的电抗有名值为：

联络线(共3回，每相3根并联)电缆电抗标幺值为：

4)发电机电抗标幺值：

式中：X_G*发电机次暂态电抗标幺值；R_G*发电机定子电阻标幺值；

5)限流电抗器电抗标幺值：

式中：X_k*电抗器电抗标幺值；R_k*电抗器电阻标幺值；

3、网络的阻抗简化图如图5所示，网络元件的标幺值化简计算如下：

最大运行方式下：

最大运行方式下：

式中：最大运行方式下短路阻抗标幺值；

发电机阻抗标幺值；

2)最大运行方式下的短路电流周期分量(由电网系统提供)：

式中：I_j-基准电流；

3)最大运行方式下的短路电流非周期分量(由电网系统提供)：

短路电流的非周期分量与断路器的开断时间有关，不同的时间对应着不同的数值，本实施例中采用的普通配电断路器的开断时间从继电保护跳闸至断路器触头离开的时间约为60ms，所以非周期分量的计算时间取为60ms。

所以i_dc.k1maxS的幅值为2.39kA，且为瞬时电流值，非有效值。

式中：T_a为衰减时间常数

4)短路电流周期分量(由发电机提供)：

当K₃点的短路时，将转化为以发电机为基准值的标幺值

采用汽轮机运算曲线法，查图6(汽轮发电机运算曲线，Xc＝0.12-0.5，t＝0-1s)，横坐标X_c＝0.15，t＝0.06s时的曲线可得：

电流的标幺值所以发电机提供的短路电流为：

5)K₃点经限流电抗器最大运行方式下短路电流非周期分量(由发电机提供)：

所以i_dc.k3maxG的幅值为11.49kA，且为瞬时电流值，非有效值。

式中：T_a为衰减时间常数

6)最大运行方式下的短路电流的计算结果：

表3.24 K₃短路电流计算结果

从结果中可以看出，采用限流电抗器后，短路电流的周期与非周期分量的比例均有较大的减少，特别是非周期分量的限制更是明显。

计算结果表明，虽然发电机出口短路电流中含有大量的直流分量，但是只要合理选择配电路器开断能力，普通配电断路器是可以完全胜任的。

本实施例中过电压的解决方法如下：

普通配电断路器为单电源系统结构，其电路图如图7所示，当负荷侧有故障时，QF断开，QF两侧承受的电压仅为单侧电源，且满足表1的要求。

发电机出口专用断路器为双电源系统结构，其电路图如图8所示，当负荷侧有故障时，QF断开，QF两侧承受的电压为双侧电源，且满足表1的要求。这是发电机出口专用断路器与普通配电断路器的本质区别。

图3所示电力系统结构图可以简化为图9所示的电网结构简图，忽略发电机出口电容后，则可以化简为图10所示的电路简图；结合图1、图2和图10进行分析，当发电机或联络线发生故障，发电机出口配电断路器QF₁、联络线断路器QF₂、厂用电受电断路器QF₃同时断开(QF₁、QF₂通过微机继电保护装置进行分断，QF₃通过快切装置进行分断)，厂用备用电源断路器QF₄闭合，为厂用电持续提供电源。此时断路器QF₁、QF₂、QF₃断口均为一侧是电源侧，形成与图9一样的系统结构形式，从而在系统结构上确保了配电断路器的代替发电机出口断路器，解决断路器断断口双侧均为电源侧而引起的过电压陡度过高和耐受峰值电压不稳的问题。

同时利用“电容元件电压不能突变“这一特性，在发电机出口端并联阻容吸收装置，延长了电压波形的恢复时间，从而缓和过电压上升陡度而且还具有一定抑制谐振和消除谐波的作用(如图11所示)。

参考“多断口断路器”可承受较高过电压的性质，当发电机或联络线发生故障时，利用微机继电保护的技术，同时分断发电机出口配电断路器和联络线断路器，利用快切技术分断厂用电受电断路器，最终达到任一工况下由两台断路器承受该过电压。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种发电机出口配电方法，适用于发电机容量≤25MW的中小型容量机组；其特征在于，利用普通配电断路器的高直流分量开断能力，通过设置继电保护、主结线采用单母线分段结构，使配电系统形成“多断口断路器结构”，利用阻容吸收装置电容电压不能突变的特性，使瞬态恢复电压满足要求，从而实现采用普通配电断路器代替发电机出口专用断路器完成发电机出口配电的目的；具体包括如下步骤：

1)供电负荷、厂用电负荷、阻容吸收装置和发电机依次并联到电网系统的低压母线上，厂用电负荷另外并联备用电源；阻容吸收装置前的并联支路上设发电机出口配电断路器QF₁，厂用电负荷前的联络线上设有联络线断路器QF₂、厂用电负荷的并联支路上设厂用电受电断路器QF₃、备用电源与厂用电负荷的并联支路上设厂用备用电源断路器QF₄；QF₁、QF₂、QF₃、QF₄同侧设置，且均为普通配电断路器；

2)发电机出口配电断路器QF₁、联络线断路器QF₂分别连接微机继电保护装置，厂用电受电断路器QF₃另外连接快切装置；

3)当发电机或联络线发生故障时，发电机出口断路器QF₁、联络线断路器QF₂、厂用电受电断路器QF₃同时断开，其中QF₁、QF₂通过微机继电保护装置进行分断，QF3通过快切装置进行分断，厂用备用电源断路器QF4闭合，为厂用电负荷持续提供电源；此时QF1、QF2、QF3断路器断口均为一侧是电源侧，可防止断路器断断口双侧均为电源侧而引起的过电压陡度过高和耐受峰值电压不稳的问题。