12kV电压等级6300A发电机出口断路器柜的动热稳定校核计算探讨

12kV电压等级 6300A发电机出口断路器柜的动热稳定校核计算探讨

王鹏程

（正泰电气股份有限公司，上海 201614）

摘要： 12kV发电机出口断器柜在产品研发和工程应用时，对母线系统的动稳定、热稳定进行校核，对绝缘子、穿墙套管等关键支撑件的稳定性进行校核，可加快研发进度、减少经费投入。

关键词：发电机出口断路器柜；动稳定校核；热稳定校核；绝缘子及穿墙套管稳定性

1 引言

根据《火力发电厂设计技术规程》相关规定：一般情况下发电机出口侧是不宜或不应加装出口断路器的,当机组主接线设计为扩大单元或两组发电机双绕组变压器作联合单元连接等情况时才会加装出口断路器。但是,在几年发电厂电力系统的设计过程中,对发电厂输配电系统技术经济合理性全面分析的基础上, 出口断路器柜在设计中才得到广泛的应用。

在某水力发电站实际应用过程中，发电侧使用容量为80MW的三相凸极同步发电机，主变压器采用100MVA三相双绕组强迫油循环水冷无励磁调压升压型电力变压器，在两者之间是通过12kV的发电机出口断路柜等开关单元完成电能输送、线路或主元件的正常保护，其额定电流6300A、额定短路开断电流80kA，额定峰值耐受电流224kA，整体结构形式采用XGN型箱型固定式开关柜。

发电机出口断路器柜（以下简称“断路器柜”）是本发电系统的关键开关单元之一，在正常运行过程中执行解列或并列操作，或者在事故状态下的动作保护，如发生断路器拒动、误动或断口绝缘击穿而导致非全相分闸、合闸状态时，则电网的安全稳定运行将会受到严重的威胁，极有可能因非全相运行而造成变压器绝缘损坏甚至起火烧毁，发电机转子因负序电流的作用而使绝缘破坏甚至起火烧毁，可能造成电厂大面积停电等重大事故的发生，其主要原因是高压断路器的操作机构和控制回路故障，以及运行人员处理不当等引发的重大事故。发电机和变压器的损坏或故障的发生，不仅会使整个系统的安全性和稳定性受到严重影响，而且将造成巨大的经济损失，可见对断路器柜的可靠性和稳定性的要求是非常高的，在本项目中，断路器柜的额定电流是中压开关设备行业中额定电流最大的开关设备之一，其研发难度和研发投入非常巨大，如在研发初期进行必要的校核计算，对项目的顺利推进十分必要，表1为断路器柜的主要参数。

断路器柜的主要参数 表1

在本案例中，断路器柜的关键的性能参数的要通过相关的型式试验来验证，在研发过程的方案设计阶段，对其关键参数（如主回路中的铜母线动热稳定、穿墙套管和支撑件的稳定性等）进行校核计算，不但能简化开发过程，对关键性能达到预期目标是非常有帮助的。

本断路器柜主要的校验内容是断路器在额定开断电流80kA、额定峰值耐受电流224kA、额定短时耐受电流80kA/3s等最严酷的故障运行条件下，断路器柜所因故障电流所引发的极端损伤情况，考虑到柜体结构的强度相对较大、主元件（如断路器、隔离开关等）的重量相对故障情况下的相间或相对地所出现的最大电动力相对较小，评估其柜体结构完全能满足静态受力状况。

2 短路电流的电动效应及铜母线的机械强度校核

在本发电站12kV电力系统中，从发电机到断路器柜的进线，或断路器柜到主变压器的线路连接导体，选用规格为TMY-3×［4×（150×10）］硬质铜母线连接，进行校验计算是十分必要的，但对于至连接到左右两侧的电压互感柜或其它辅助柜的母线系统，不作校验计算。

（1）按断路器柜的铜母线最大跨度校核机械应力

断路器柜中，硬母线动稳定的校验的一般要求，按下面公式

①

=1.73 ②

其中, —短路时母线中的最大应力，单位

—母线最大允许应力，单位 硬铜母线最大允许值为137

—三相短路冲击电流，按断路器柜的峰值耐受电流 =224

—母线的长度距离，单位：

，本断路器柜按最大长度 =1.4

—按机械共振条件下校验的振动系数，在本项目计算中，取

—断路器的相间距离，单位： ，本断路器柜中D=0.47

—母线截面系数，单位： ，本断路器柜中母线为竖立放置， =0.167 ,母线宽度b=0.15 , 母线厚度 =0.04 ，则 =0.167 =0.167×0.15× =4×

根据公式②， 按下式计算：

=1.73 =1.73 =15083 =15.083

已知 137 ，显然 ，可见三相母线在224 的最大峰值耐受电流的作用下，其机械强度完全满足要求。

（2）按峰值耐受电流计算来计算铜母线允许的最大跨度

当三相（A相、B相、C相）短路故障电流通过铜母线时，按水平布置于同一平面的矩形母线，位于中间的B相所受作用力最大，其最大允许跨距按下式计算

③

其中，

—母线最大允许应力，单位 硬铜母线最大允许值为137M =1.37

—三相短路冲击电流，单位 ，按断路器柜中峰值耐受电流取 =224

—断路器主回路的相间距离，本断路器柜中D=0.47

—母线截面系数，单位： ，本断路器柜中母线为竖立放置，在本项目的断路器柜中 =0.167 =4

根据公式③，可计算出矩形母线最大的允许距离 ，单位：

= m=1.722

最大允许距离 比断路器柜中实际最大距离 =1.4 要大，显然 ，从而可知在最严酷的运行条件下，柜内母线的支撑和固定是可靠安全的。

3、柜内按短时耐受电流的热稳定要求校核最小母线截面

对于柜内满足热稳定要求的铜母线最小允许截面，可按国标《GB/T3906-2020 3.6kV～40.5kV交流金属封闭开关设备》附录D要求进行校核,在0.25 s，其计算公式为：

④

式中 —导体横截面，单位：

—电流有效值，单位：A，在本断路器柜的主回路中最大故障电流有效值取I =80kA=8X A

—材质系数，铜母线可取13

—额定短路持续时间，单位：s ，按额定短时耐受电流时间t =3s

—温升，单位： ，对于裸导体一般取180K，超过3 s不足5 s时， 取215

根据公式④，取t =3s，可计算出本断路器柜的主回路中所需铜导体的最小截面

=726.8

短时耐受电流时间按t =4s选择时， =839.3

在本断路器柜的主回路中，主回路是按断路器的额定电流来选择铜母线的截面，主回路中相线用规格为TMY-3×［4×（150×10）］的矩形硬铜母线，其截面积为6000 ，完全满足额定短时耐受电流80 kA /4s。

4、支柱绝缘子的稳定性校核

对于本开关柜中，发电机的进线或开关柜至主变压器的均选用TMY-3×4（150×10），其校验十分必要，但对于至左、右电压互感柜或辅助柜的母线，可强度校验可忽略,不作计算。

对于断路器柜的绝缘子，是极其关键的铜母线的固定和支撑元件，动稳定按如下公式计算校验

⑤

⑥

式中 —作用于绝缘子上的作用力，单位：N；

—绝缘子的机械破坏负荷，单位：N，要据绝缘子生产厂家提供的数据，一般取40

—绝缘子受力系数，本断路器柜中绝缘子布置，母线为立放时，对10kV系统取 =1.4

—绝缘子间跨距，单位： ，按最大跨距 =1.4 考虑

—相间距，单位：m，考虑到最大跨距 =1.4 （实际上该值母线穿过电流互感器，其数值应小于1.4 ），取 =0.47

—三相短路最大的冲击电流,单位：kA，按断路器柜中峰值耐受电流取 =224 ,根据公式⑥，计算如下：

= =4616N=4.616

0.6 =0.6×40 =24

得到 ，符合绝缘子允许使用条件。

5、穿墙套管的稳定性校核

对于穿墙套管应按如下公式校验：

⑦

⑧

式中 —作用于穿墙套管上的作用力，单位： ；

—穿墙套管的机械破坏负荷，单位： ；根据厂家提供的数据，取 =40

—穿墙套管端与最近一个绝缘子的距离，单位：m；本断路器柜中， = 0.6 ，

—穿墙套管本身长度，单位： ；本断路器柜中， = 0.49 ，

—相间距，单位： ，取 =0.47 ,

—三相短路冲击电流,单位：kA；本断路器柜冲击电流 取224

根据公式⑧，计算如下：

0.6 =0.6 40 =24

得到 ，符合穿墙套管允许使用稳定性要求。

6、结束语

在产品研发过程中，对断路器柜所预期的关键性能参数，如铜母线及其允许的最小截面积、穿墙套管和支柱绝缘子等在极端条件下的动稳定、热稳定等的校核计算，能及时发现产品设计方案中存在的不足或薄弱点并予以改进，本断路器柜的样机顺利通过第三方试验验证，缩短了研发周期、节省了研发经费的投入，为研发产品顺利投放实际应用赢得了宝贵的时间。

参考文献：

［1］高压开关设备实用技术/李建基编著. -北京：中国电力出版社，2005

［2］GB/T17467-2020 高压/低压预装式变电站.北京：中国标准出版社，2020

［3］工业与民用配电设计手册/中国航空工业规划设计研究院等编.-2版。-北京：中国电力出版社1994.12

［4］GB/T 3906-2020 3.6kV～40.5kV交流金属封闭开关设备和控制设备.北京：中国标准出版社，2020